Томский политехнический университет Курс лекций для студентов направления электромеханика и электротехника по дисциплине Технология конструкционных материалов (Материаловедение) доцента кафедры МТМ Ковалевской Жанны Геннадьевны

Рекомендуемая литература Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П. Основы материаловедения. Конструкционные материалы: учебное пособие. Изд. ТПУ Томск, с. Егоров Ю.П., Лозинский Ю.М., Хворова И.А., Роот Р.В. Материаловедение: учебное пособие. Изд. ТПУ Томск, с. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.М. Материаловедение: учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов. – М.: Машиностроение, 1990 – 528 с. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для студентов высших технических учебных заведений. – М.: Металлургия, – 646 с.

Лекция 1 Материаловедение – наука изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов, а так же влияние на их структуру и свойства различных внешних воздействий. Химический и фазовый состав материала Структура (внутреннее строение) Механические свойства: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость Эксплуатационные свойства: прочность, надежность, износостойкость, теплостойкость и др. Внешние воздействия: 1. Условия кристаллизации 2. Пластическая деформация 3. Термическая обработка

Классификация конструкционных материалов Металлические материалы – все металлы и их сплавы. 1.Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны; 2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как Cu, Al, Ti, Mg, Zn, Ni и др.; Неметаллические материалы 1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, как правило, с наполнителями. 2. Керамические материалы (керамика). Основой этих материалов являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и окислов. Например: TiC, SiC, CrB, Ni3B, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др. Композиционные материалы. Они представляют собой композиции, полученные искусственным путем из двух и более как металлических, так и неметаллических материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате, композиционный материал имеет новый комплекс свойств.

Металлы и их сплавы В узлах решетки находятся положительно зараженные ионы. Электроны внешних валентных связей свободны. Расстояние и положение ионов определяется электростатическим притяжением и отталкиванием между ионами. Наименьшая часть объёма кристаллической решетки, которая определяет её систему, называется элементарной кристаллической ячейкой. Трансляция (параллельный перенос) элементарной ячейки в трех измерениях позволяет построить всю кристаллическую решетку. Строение металлов Металлы имеют кристаллическое строение – закономерное расположение атомов в пространстве с образованием кристаллической решетки. Для описания элементарной кристаллической ячейки используют три параметра решетки a, b, c и три угла между этими осями – α, β, γ.

Наиболее распространенные типы кристаллической решетки Объемно-центрированная кубическая решетка – ОЦК (Fe, Cr, W, V, Mо) Гранецентрированная кубическая решетка – ГЦК (Fe, Cu, Al, Ni) Гексагональная плотноупакованная решетка – ГПУ (Zn, Mg, Cd) Тетрагональная решетка (Fe, Ti, Sn, Zr)

Полиморфизмом (аллотропия) – способность у некоторых металлов изменять кристаллическую решетку при изменении температуры. Примеры: Железо – имеет две полиморфные модификации: -железо с ОЦК решеткой, существующее до 911ºС и -железо с ГЦК решеткой, существующее в интервале выше 911 ºС. Полиморфизм может вызывать изменение свойств.

Кристаллизация металлов Кристаллизация металлов – переход материала из жидкого состояния в твердое упорядоченное, т.е. кристаллическое. Степень переохлаждения разностью между теоретической и фактической температурами кристаллизации. Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры

Механизм кристаллизации металла состоит из 2-х элементарных процессов: 1) зарождение центров кристаллизации 2) рост кристаллов из этих центров. Растущие из центров кристаллизации кристаллы ориентированы произвольно – они называются зернам. 15 мкм Металл, состоящий из большого количества таких зерен, называется поликристаллическим.

Дефекты кристаллического строения и их влияние на свойства материалов Внутри зерен различают три вида структурных несовершенств: точечные, линейные и поверхностные. Все эти несовершенства характеризуются малыми – соизмеримыми с межатомным расстоянием размерами. Точечные дефекты малы в трех измерениях. Линейные дефекты малы в двух измерениях, а в одном велики – составляют десятки микрометров. Поверхностные дефекты малы в одном измерении, а в двух – велики. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называют зернами.

Точечные дефекты кристаллической решетки Это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы. Наличие вакансии в решетке сообщает атомам подвижность, которая называется диффузией. При нагреве металла, атомы перемещаются – диффундируют. Диффузия атома в кристаллической решетке, наблюдаемая в атомно-силовом микроскопе

Линейные дефекты кристаллической решетки Дислокация – это особая конфигурация расположения атомов в кристаллической решетке. Краевую дислокацию образует лишняя атомная полуплоскость (экстраплоскость) образованная в части кристалла. Винтовая дислокация получается при частичном сдвиге кристаллической решетки. При этом образуется ступенька, проходящая по части кристалла.

Анализ дислокационной структуры проводят с помощью электронной микроскопии. Дислокации наблюдаются в виде нитевидных включений, декорированных атомами легких элементов: углерода, азота, водорода и т.п. Плотность дислокаций определяют как совокупную длину всех дислокаций в единице объема = l / V [см/см3] или [см–2]

Поверхностные дефекты кристаллического строения Поверхностными дефектами являются границы зерен и субзерен. При поликристаллическом строении, зерна в металлах повернуты одно относительно другого, и на границах между ними атомы не имеют правильного расположения. Схема и изображение в атомно-силовом микроскопе границы зерен

Объемные дефекты Объемные дефекты образуются между зернами металла. Они имеют значительные размеры в трех измерениях и образуются в процессе производства металла, либо при изготовлении заготовки или готового изделия. Это поры, раковины, пустоты, включения шлаков, окислов и т.д. Фотография газо- термического покрытия с порами