Введение

Дисциплина «Новые конструкционные материалы» является частью более широкого курса «Материаловедения».

Материаловедением называют область знаний, в которой излагаются закономерности, связывающие состав и структуру материалов с их свойствами, а также с изменением свойств материалов в условиях эксплуатации. Отличительной характеристикой пособия является то, что в нем отражены особенности использования материалов в различных отраслях пищевой промышленности.

Для понимания связей между структурной и свойствами, прежде всего, необходимо ознакомиться с основными характеристиками структуры и свойств.

Тема 1. Структура и свойства материалов

1.1. Структура материалов

Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.

Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) хаотично, т.е. неупорядоченно. К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.

Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е. образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве, образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими решетками.

Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1) симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.

Периоды кристаллических решеток измеряются в нанометрах (10^-9 метра, краткое обозначение нм), либо в ангстремах (10^-10 метра, обозначается Å, 1_нм= 10 Å).

Если бы атомы располагались только в узлах кристаллических ячеек, то разные вещества различались бы только величинами углов и периодов ячеек. Но в ряде кристаллических ячеек атомы расположены не только в узлах (местах пересечения осей), но также и в других частях объёма ячейки, например, в его центре или в центрах граней. Тогда первый тип решетки называется объемно-центрированной, а второй – гранецентрированной решеткой.

Подавляющее большинство металлов имеет объемно-центрированные решетки, гранецентрированные кубические решетки, либо гексагональные плотноупакованные. Краткие обозначения этих типов решеток ОЦК, ГПУ и ГЦК, соответственно.

Координационным числом (Z) называется число атомов, находящихся на наиболее близких и одинаковых расстояниях от произвольно выбранного любого атома в решетке. Для ОЦК решеток Z = 8, для ГЦК и ГПУ – 12.

Базисом решетки называется количество атомов в одной элементарной ячейке. Для ОЦК решеток базис равен 2, для ГЦК – 4, для ГПУ – 6.

Коэффициентом компактности решетки (ŋ) называется отношение объёма, занимаемого сферическими атомами (Va) ко всему объёму элементарной ячейки V, т.е. ŋ = Va/V. Для ОЦК решёток ŋ равно 0,68, для ГЦК и ГПУ – 0,74.

Массивные объёмы материала могут состоять как из одного кристалла (монокристалла), так и из множества зёрен, образующих поликристаллы. Отдельные зёрна в поликристалле отличаются друг от друга ориентировкой в пространстве.

Свойства кристаллических материалов зависят и от размеров зёрен, и от их ориентировки в образце. Если имеет место беспорядочно реализуемая ориентировка зёрен, то говорят, что материал изотропен. Если же наблюдается преимущественная ориентировка зёрен в каком либо направлении, то такая преимущественная ориентировка называется текстурой, материал называется текстурованным, а свойства являются анизотропными.

Для характеристики ориентации кристаллов применяется специальная система обозначений расположения рёбер и граней в элементарной ячейке, а также других направлений в ней, называемая системой индексов Миллера: плоскости обозначаются индексами в круглых скобках (h, k, ℓ), где h, k и ℓ – числа, связанные с ориентацией плоскостей. Направления в кристаллической решетке обозначаются заглавными буквами в квадратных скобках [H, K, L]. В кубических решетках грани куба обозначаются как (100), (010) и (001), а ребра куба как [100], [010], [001], соответственно осям X, Y, Z.

Большинство свойств металлических материалов зависят от направлений в кристаллических решётках. Такая зависимость называется анизотропией.

В одной и той же подгруппе элементов периодической системы Менделеева металлы часто кристаллизуются с одним и тем же типом кристаллической решётки. Но, имеется ряд металлов, которые меняют тип решётки при переходе от одних внешних условий к другим (давление, температура). К таким металлам относятся железо, титан, цирконий и др.

Указанный переход называется полиморфным превращением.

Большинство конструкционных материалов являются сплавами двух или более химических элементов, называемых компонентами. В сплавах при плавлении образуются однородные области их объёма, называемые фазами. Фазы могут быть следующими: жидкие растворы, твёрдые растворы, химические соединения.

Твёрдые растворы делятся на твёрдые растворы замещения и внедрения.

При образовании твёрдого раствора замещения часть узлов атомов основного компонента (растворителя) замещается атомами другого элемента. При этом тип кристаллической решётки растворителя остаётся неизменным. Образуемые металлическими элементами твёрдые растворы замещения могут быть неограниченными (во всей области концентраций от 0 до 100%) и ограниченными определённой областью концентраций растворяемого элемента. Неограниченные твёрдые растворы образуются в системах Ag - Au, Ni - Cu, Mo - W, Mo - V и др.

Твёрдые растворы внедрения образуются при растворении в решетке металлического растворителя неметаллических атомов относительно малого размера (H, B, C, N, O). При этом атомы неметаллических элементов располагаются между атомами решетки растворителя в специальных пустотах решётки, называемых порами (октаэдрическими и тетраэдрическими).

При некоторых концентрациях атомов элементов, образующих сплав, если имеет место сильное химическое взаимодействие атомов различных сортов, образуются химические соединения.

К химическим соединениям относятся интерметаллиды (Ni₃Aℓ, TiAℓ, Fe₂Mo и др.), карбиды – соединения металлов с углеродом (Fe₃C, TiC, WC, Mo₂C и др.) нитриды – соединения с азотом (FeN, TiN, Fe₄N) и др.

Выше, описывая кристаллическое строение материалов, мы негласно подразумевали, что весь объём кристалла имеет идеальное строение. Однако, следует учитывать, что в реальных кристаллах всегда существует большое число мест, в которых идеальное строение кристалла нарушено. Такие места носят название дефектов кристаллического строения. Обычно дефекты в кристаллах характеризуют размерностью: 1) нульмерные (или точечные) – вакансии, внедрённые атомы; 2) линейные – дислокации; 3) поверхностные – дефекты упаковки плоскостей, двойники; 4) объёмные – поры. Кроме того, существуют объёмные дефекты, многократно превышающие межатомные расстояния (трещины, усадочные раковины и др.)

Тип указанных дефектов и их количество в материалах оказывают значительное влияние на свойства материалов.