Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов.

1 Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов. Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств: блеск» (хорошая отражательная  «металлический способность);  пластичность;  высокая теплопроводность;  высокая электропроводность. Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа». Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются: нтарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными. ). расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. элементарную ячейку решетки. – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74) Рис.1.1. Схема кристаллической решетки Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа; – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях; -центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная Конструкционные материалы Конструкционными называются материалы, которые применяют для изготовления деталей машин, приборов и строительных конструкций. Конструкционные материалы можно разделить на две обширные группы: — металлические материалы; — неметаллические материалы. Металлические конструкционные материалы — это черные металлы, цветные металлы и сплавы. Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичными в этой группе являются железо, его сплавы — сталь, чугун, а также ферросплавы. Техническое железо (с минимальным содержанием углерода и других примесей) производят в небольших количествах для нужд электротехники и др. Ферросплавы, например ферросилиций (до 2,5 % С, 9 — 1 3 % Si, основа — железо) и др., применяют при выплавке стали. Сталь — основа современной техники; это обобщенное название очень большой группы железоуглеродистых сплавов (до 2,14 % С). Чугун (известен еще до новой эры) — наиболее распространенный литейный сплав (до 6,67 % С). С XI I I — XI V вв. чугун — основной исходный материал для выплавки стали. Цветные (нежелезные) металлы — все остальные металлы и сплавы, кроме черных. В настоящее время используют около 65 цветных металлов и их сплавов. Они широко применяются в машино- и приборостроении, а в некоторых областях техники имеют особо важное значение. Цветные металлы подразделяют на: легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью; благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы; к ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии; легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, сурьма и др.; тугоплавкие металлы — металлы, температура плавления которых выше, чем железа (то есть выше 1539 °С). Гафний, рутений, осмий, рений — элементы весьма редкие и рассеянные в земной коре. Цирконий, хром и ванадий — достаточно доступные металлы, имеющие относительно высокую температуру плавления. Наиболее тугоплавки вольфрам, молибден, ниобий, тантал. По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относятся Na, Cn, Mg, Al, Pb и др. У переходных металлов внутренние р- и d-оболочки недостроены. Наиболее характерные представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и т. п. Производство стали примерно в двадцать раз превышает общее производство всех цветных металлов и сплавов; 80—85 % чугуна используют для выплавки стали. К неметаллическим конструкционным материалам относятся: — органические и неорганические полимерные материалы; — пластмассы; — композиционные материалы; — каучуки и резины; — лакокрасочные материалы; — клеи и герметики; — керамика; — стекло; — бетон; — графит; — дерево; — другие материалы.