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, 2010. 110 с.

• Егоров Ю.П., Лозинский Ю.М., Хворова И.А., Роот Р.В. Материаловедение: учебное пособие. Изд. ТПУ Томск, 1999. 160 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, 1986. – 646 с.

Лекция №1Материаловедение – наука изучающая взаимосвязь

между составом, строением и свойствами материалов, а так же влияние на их структуру и

свойства различных внешних воздействий.

Химический ифазовый состав

материала

Структура(внутреннее строение)

Механические свойства: прочность,

пластичность, твердость, ударная

вязкость

Эксплуатационные свойства: прочность,

надежность, износостойкость,

теплостойкость и др.

Внешние воздействия:1. Условия

кристаллизации2. Пластическая

деформация3. 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 металловМеталлы 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 кристаллизации2) 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