Металловедение и термическая обработка металлов.

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. С развитием техники расширяется ассортимент используемых материалов. Наряду с традиционными, появляются новые материалы, требующиеся в различных областях народного хозяйства и обладающие особыми свойствами. Подобно тому, как 32 буквы алфавита или 7 нотных знаков создают все многообразие языка и музыки, так и элементы таблицы Менделеева позволяют получить неисчислимое множество материалов с разнообразными свойствами. В их числе магнитные, теплопрочные и тугоплавкие, спеченные порошковые материалы, композиционные материалы, ситаллы (стекло – кристаллы или стекло и керамика) и др.

Во все времена технический прогресс всегда был и будет связан с материалами.

Именно с новыми материалами связывают ученые и инженеры решение задач, стоящих перед обществом. Взять, к примеру, управляемую термоядерную реакцию, которая обеспечит человечество энергией на миллионы лет. Сейчас практическая реализация научных идей сдерживается из-за отсутствия мощных сверхпроводящих магнитов. Удастся создать подобные соленоиды, значит осуществится управляемая термоядерная реакция. Нет – решение проблемы века отложится на 10-ти летия. В формуле «технология – материал – технология» заключается одна из важнейших функций материала и его влияние на научно-технический прогресс. Например, титан.

Курс «Материаловедение» включает 2 части. 1 – Материаловедение и термическая обработка металлов; 2 – неметаллические материалы (полимеры, керамика, стекло, резина и т.д.).

Очевидные успехи в создании современных неметаллических материалов должны бы несколько снизить темпы развития некоторых металлургических процессов, но металлы в целом сохранят свое значение как основной материал в машиностроении и в большинстве других отраслей народного хозяйства еще несколько десятилетий. По самым смелым прогнозам, полимеры и композиты уже должны были к 1990 году вытеснить не более 10-ти % черных и около 30% цветных металлов. Для нашей цивилизации металлы останутся незаменивыми, потребность в них будет расти и впредь.

Чтобы изучать материаловедение, необходимо выяснить общее для всех материалов. Для большинства технических материалов характерно кристаллическое строение. Это позволяет с единых позиций рассмотреть закономерности формирования кристаллической структуры и свойств, определяемых природой связи между атомами. Улучшение характеристик уже имеющихся материалов достигается корректировкой химического состава и внешними воздействиями (тепловым, пластическим деформированием). Создаются и принципиально новые материалы.

Металловедение изучает зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов (тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных).

Впервые осуществление связи между строением стали и ее свойствами было установлено Павлом Петровичем Аносовым (1799-1851г.г.). [Ю. Г. Гуревич «Загадка булатного узора». Знание, 1985, 190 с.]. Имеется в виду секрет булата, основанный на термической обработке.

Основоположником металловедения как науки является Дмитрий Константинович Чернов – русский металлург (1839-1921 гг.). Он показал, что сталь в твердом состоянии при нагреве или охлаждении подвергается фазовым превращениям, вызывающим значительные изме­нения ее свойств. Д. К. Чернов – основатель современной теории кристаллизации металлов.

Большая роль в развитии металловедения принадлежит н. С. Курнакову (нач. ХХ в.), применившему физико-химические методы анализа для исследования металлов. Им было изучено большое количество систем, построены диаграммы состояния и установлены зависимости между составом, структурой и свойствами различных сплавов.

Кристаллическое строение металлических сплавов и фаз было установлено в начале 20-х годов благодаря широкому использованию рентгеновского анализа, позволившему изучить изменения строения в зависимости от обработки сплава.

Важнейшие исследования в этой области были проведены советскими учеными Г. В. Вульфом, С. С. Штейнбергом, Г. В. Курдюмовым и др. Выполняли их и зарубежные ученые: М. Лауэ и П. Дебай (Германия). У. Г. Брэгг (Англия и др.

В развитие термической обработки большой вклад внесли современные исследователи н. А. Минкевич, Н. Г. Гудцов, А. А. Бочвар.

Металловедение не может не развиваться и в настоящее время. За последние годы созданы новые виды термической и химико-термической обработки стали, разработаны основы легирования стали, созданы коррозионно-стойкие, высокопрочные стали и сплавы, а также стали и сплавы на основе Al, Ti и других металлов. Все более широко применяются редкие металлыи их сплавы.

Металловедение тесно свяхано с другими науками – общетехническими (физхимия, химсопромат) и технологическими (технология конструкционных материалов), специальными.

2. Классификация материалов и требования к ним.

Все материалы, применяемые в машиностроении, целесообразно разделить на 2 основные группы: металлические и неметаллические.

К металлическим относятся металлы и их сплавы. В природе приблизительно 4/5 всех элементов приходится на долю черных и цветных металлов.

Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) принято называть черными металлами. Сюда же можно отнести тугоплавкие металлы (W, V, Mo).

К цветным металлам относятся:

а) легкие металлы (γ < 5 г/см³). Это Mg, Al, Be, Ti (1,74; 2,7; 1,82; 4,54).

б) тяжелые (γ > 5 г/см³) – Cu, Ni, Pb (8,9; 8,9; 11,34).

в) легкоплавкие – Zn, Cd, Hg, Bi, Sn (419,5; 321; -38,9 °С тпл/кр; 271; 232 °С).

г) благородные металлы – Ag, Au, Pt, Pd, Os.

Неметаллические материалы могут быть органического и неорганического происхождения. К органическим относятся полимерные материалы (пластмассы, каучуки, резина), углеграфитные материалы, дерево.

Неорганические материалы подразделяются на:

а) горные породы; б) керамические материалы; в) искусственные плавленые силикатные материалы (стекло, эмали).

Материалы должны обладать необходимой механической прочностью и достаточным запасом пластичности.

Ежегодно 1/3 металлических материалов выходит из строя в результате коррозии, поэтому важным требованием является высокая коррозионная стойкость.

В ряде отраслей техники необходима высокая жаропрочность, т.е. способность материалов сохранять необходимую прочность при работе в области высоких температур.

При низких температурах металлы могут переходить в хрупкое состояние. Для предотвращения этого металл должен обладать стойкостью к хладноломкости.

Во всех случаях учитывается экономическая целесообразность использования того или иного материала. Иногда предъявляются специфические требования, например, определенная степень чистоты.

3. Металлы и их свойства. Металлическая связь.

Известно в настоящее время 80 металлов. Они занимают 4/5 всех клеточек таблицы Менделеева. Металлам характерны следующие свойства:

Высокая тепло - и электропроводимость.

Положительный коэффициент электрического сопротивления. С повышением температуры электрическое сопротивление возрастает. Большое число металлов (примерно 30) обладают сверхпроводимостью. При температуре, близкой к абсолютному 0 электрическое сопротивление этих металлов скачкообразно падает до 0.

Способность испускать электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).

Отражательная способность, непрозрачность и металлический блеск.

Повышенная способность к пластической деформации. При наличии этих свойств достигается так называемое металлическое состояние вещества.

Металлоиды, в отличие от металлов, как правило, хрупки, не обладают металлическим блеском, характеризуются низкой тепло- и электропроводимостью и отрицательным коэффициентом электрического сопротивления.

Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных электронов проводимости.

Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов. Различают внешние (валентные) электроны, связь которых с ядром незначительна и внутренние – более прочно связанные с ядром.

Внешние электроны способны отщепляться от атомов и находится в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ. Положительно заряженные ионы стягиваются отрицательно заряженным электронным газом в кристалл.

Атомы в металлах располагаются близко один к другому. Это означает, что наблюдается значительное перекрывание орбиталей внешних электронов и что валентные электроны фактически связаны не с отдельным ядром, а делокализованы по всем атомам металла. Таким образом, металл представляет собой ионно-электронную систему, устойчивость которой определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие между ионами и электронным облаком называется металлической связью.

Сила связи в металле определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, не имеющими резко выраженного направленного характера.

Атомы или ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

Различают 4 типа металлической атомной связи – ионную, ковалентную, полярную и металлическую.

Ионная связь возникает у разнородных атомов, когда какой-либо из них отдает с внешней оболочки, а другой принимает 1 или несколько электронов. Образующиеся при этом положительные и отрицательные ионы с завершенными внешними оболочками благодаря электрическим силам взаимно притягиваются.

Ковалентная связь возникает обычно у одинаковых атомов и осуществляется парами валентных электронов, которые одновременно принадлежат 2-м соседним ионам, находящимся в узлах решетки. Связь имеет резкую направленность и высокую прочность. Этот тип связи характерен для соединений углерода.

Полярная связь возникает вследствие смещения электронной плотности в молекулах к более электроотрицательному атому и появления слабого электрического притяжения.

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металла.

Электрическая проводимость – наличием в металле свободных электронов, которые под влиянием разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебательные движения ионов, что затрудняет прямолинейное движение электронов, в результате чего возрастает электрическое сопротивление.

При низких температурах колебательное движение ионов сильно уменьшается и электропроводимость возрастает. У некоторых металлов в результате упорядоченного движения пар электронов при очень низких температурах (< 20⁰К) электрическая проводимость обращается в ∞ (сверхпроводимость).

Высокая теплопроводимость металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательными движениями ионов, вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла.

Высокая пластичность металла объясняется периодичностью их атомной структуры и ненаправленностью металлической связи. В процессе пластической деформации (ковка, прокатка), т.е. при смещении объемов металла, связь между ионами не нарушается.

Направленность – важнейшее свойство ковалентной связи, определяющее геометрию молекулы. Причина направленности заключается в том, что перекрывание облаков, образующих химическую связь, происходит в направлении набольшей плотности их (наибольшей вытянутости), например, Cl₂ ∞∞.

Кристаллы с ковалентной связью хрупки, т.к. при деформации связь нарушается.

4. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток.

Все металлы и их сплавы – тела кристаллические и, в отличие от аморфных тел с хаотичным расположением атомов, в металлах они расположены закономерно.

Металлы, полученные обычным способом, поликристалличны и состоят из большого числа мелких (10^-1 ÷ 10^{-5 см) различно ориентированных по отношению другш к другу кристаллов, имеющих неправильную форму (вследствие условий кристаллизации) и называемых кристаллитами или зернами.}

Гипотеза о закономерности расположения частиц в кристаллах была выдвинута в 1860 году Е. С. Федоровым и доказана в 1912 году м. Лауэ с помощью рентгеноструктурного анализа.

Косвенным доказательством кристалличности строения металлов может служить термический анализ. Если t_затв=f(τ) и для чистых металлов строго постоянна, то график охлаждения вещества будет иметь следующий вид:

Т.е. закономерности неодинаковы для кристаллических и аморфных веществ.

Переход кристаллического вещества из жидкого состояния в твердое происходит при температуре кристаллизации (Ткр.). Процесс перехода протекает в определенный промежуток времени и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому, несмотря на охлаждение металлов, температура в течение данного времени остается неизменной (горизонтальный участок). Скрытая теплота затвердевания компенсирует потерю тепла в пространстве.

Затвердевание аморфного вещества происходит постепенно без резко выраженной границы между жидким и твердым состоянием.

Структура (строение) аморфного вещества характеризуется беспорядочной пространственной сеткой, в узлах которой расположены ионы, атомы или гр. атомов.

Для описания кристаллической структуры веществ пользуются понятием кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Для металлов характерны сравнительно простые типы кристаллических решеток с высокой плотностью упаковки атомов. Расположение атомов в кристалле удобно изображить в виде так называемых элементарных кристаллических ячеек. Это наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме.

Различают:

1. Простая кубическая (на долю одной элементарной ячейки – 1 атом)

2. Объемноцентрированная (ОЦК) кубическая.

Кубическую решетку определяет длина ребра куба [а] = ангстрем, А

А^о=10^-10м=10^-8см α-Fe, W, V, Mo

3. Гранецентрированная (ГЦК)

α-Fe, Al, Cu

4.Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Размеры характеризуются const значением c/d=1,633. При иных соотношениех c/d получается неплотноупакованная решетка. Mg, Zn, Re, Os.

Геометрию и плотность упаковки элементарных частиц в кристалле отражают такие понятия, как координационое число (КЧ) и коэффициент компактности (КК). Координационное число определяет число ближайших равноудаленных элементарных частиц.

Коэффициент компактности определяет отношение объема всех элементарных частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки.

4. Анизотропия свойств кристаллов.

Анизотропия – это векториальность, неодинаковость свойств кристалла в разных кристаллографических направлениях, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов) в пространстве. Различны расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях, различны и свойства, т.к. последние определяются взаимодействием атомов. Наиболее сильно анизотропия проявляется в кристаллах со структурами, обладающими малой симметрией. Анизотропия присуща всем свойствам кристаллов и особенно важна при использовании монокристаллов (т.е. кристаллов, полученных искусственным путем). В природных условиях кристаллические тела, как уже отмечалось, поликристалличны и состоят из множества мелких, различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропия не проявляется, т.к. среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям примерно одинаково. В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными.

При обработке поликристаллов давлением кристаллографические плоскости одного индекса (индексы направления – это координаты узла кристаллической решетки, выраженные целыми числами u, υ, ω, в единицах отрезков а, в, с) в различных зернах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют текстурованными и они подобно монокристаллам, анизотропны. У аморфных тел свойства не зависят о направления.