1. Предмет и значение материаловедения

Материаловедение — наука, сконцентрировавшая в себе современные знания о технологиях производства и особенностях материалов и средствах их физико-химической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного назначения.

Задачи материаловедения:

1) создание и внедрение в производство новой техники; 2) создание новых материалов и прогрессивных технологических процессов; 3) улучшение качества и ассортимента металлопродукции; 4) увеличение производства новых конструкционных материалов, покрытий и изделий на основе металлических порошков; 5) развитие производства новых полимерных и композиционных материалов с комплексом требуемых свойств; 6) обеспечение более широкого применения малоотходных и малооперационных технологических процессов; 7) увеличение использования высокоэффективных методов обработки металлов и материалов, обеспечивающих существенное улучшение их свойств, и др.

Достоинством металлов и сплавов является то, что путем целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях народного хозяйства. К черным металлам относят железо и его сплавы. Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных. Достоинствами неметаллических материалов являются стойкость к коррозионному износу, небольшая по сравнению с металлами масса и другие специфические свойства.

2. Черные и цветные металлы

Металлами называются химически простые вещества, отличающиеся хорошим блеском, высокими тепло- и электропроводностью, непрозрачностью, плавкостью. К черным относят железо и сплавы на его основе — чугун и сталь, а также ферросплавы. Остальные металлы составляют группу цветных. Из цветных металлов наиболее важное промышленное значение имеют медь, алюминий, свинец, олово, никель, титан и др. Цветные металлы обладают рядом физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми в технике,

Галлий, имея низкую температуру плавления (29,8^оС), кипит при температуре 2230 ^оС; он широко используется для изготовления термометров, предназначенных для измерения высоких температур. Индий обладает высокой отражательной способностью равномерно рассеивать свет и используется для изготовления зеркал и прожекторов. Бериллий — самый прочный из всех легких металлов. Его плотность 1,84 г/см³. Скорость звука в нем распространяется в 2,5 раза быстрее, чем в стали. Он необходим для использования в атомной технике. Литий применяется в ядерной технике, радиотехнике. Смазочный материал на основе оксида лития не замерзает при температуре -50 ^оС. Температура плавления ниобия 2500 ^оС. Из сплава ниобия с цезием изготовляют центральную часть атомного реактора. Тантал — тугоплавкий металл применяется в костной и пластической хирургии. Осмий — очень износоустойчив, используется для изготовления хирургических инструментов, осей и опор точных измерительных приборов.

3. Типы кристаллических решеток

Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

В аморфных телах (стекле, пластмассах) в отличие от кристаллов атомы или молекулы расположены беспорядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в металле происходит:

1) при переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают;

2. при сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т.д.;

3. происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке. Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — α-Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) — γ-Fe, Al, Сu и гексагональная плотно упакованная (ГПУ) — Mg, Zn и др.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой.