Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

4

Электронный архив УГЛТУ

ВВЕДЕНИЕ

Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на эти свойства.

В задачи металловедения входит создание новых сплавов и технологических процессов их обработки, обеспечивающих особо высокие механические, физические и служебные свойства в соответствующих изделиях и конструкциях.

Металловедение является основной составной частью науки о мате-

риалах – материаловедение 1 10 .

Металлы по их свойствам можно разделить на несколько групп.

1.Черные: Fe, Ni, Co (обладают магнетизмом), Mn.

2.Цветные: Cu, Al, Sn и др.

3.Легкие: Mg, Be, Al, Ga.

4.Тугоплавкие (ТПЛ ≥ 1541 °С, Fe): Mo, W, Ta.

5.Легкоплавкие: Hg, Sn, Pb, Zn.

6.Тяжелые: Pt, W, Os.

7.Благородные (слабо реагируют с внешней средой): Ag, Au, Pt,

Pd, Os.

Некоторые важные свойства, определяющие во многом применение металлов в технике, представлены в табл. 1.

Электронный архив УГЛТУ

Окончание табл. 1

1.СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1.Кристаллическое строение металлов

Для распространенных и широко применяемых металлов характерны три типа кристаллических решеток (рис. 1).

Рис. 1. Элементарные ячейки трех наиболее типичных для металлов кристаллических решеток:

а кубическая объемно-центрированная (ОЦК); б кубическая гранецентрированная (ГЦК); в гексагональная (ГПУ)

6

Электронный архив УГЛТУ

Параметр элементарной ячейки «а» (Fe – 0,286 нм, Cu – 0,361 нм)

позволяет рассчитать всѐ остальное: расстояние между атомами, атомными плоскостями, количество атомов в элементарной ячейке (компактность) и др. Макрообъем металла формируется трансляцией элементарной ячейки по трем пространственным направлениям (X, Y, Z).

Поместив элементарную кубическую решетку в координатах X, Y, Z, как показано на рис. 2, любую атомную плоскость можно обозначить определенными индексами, например, плоскость (100) на рис. 2, а отсекает на оси Х отрезок «а», равный параметру кристаллической решетки, с осями Y и Z эта плоскость не пересекается, т. е. (X Y Z)→(100). Другая плоскость (рис. 2, б) отсекает отрезки «а» на осях X и Y, поэтому

(X Y Z)→(110).

Рис. 2. Обозначение атомных плоскостей в ОЦК (а, б) и ГЦК (в) кристаллических решетках

Для ГЦК решетки (рис. 2, в) наиболее плотно упакованную плоскость обозначают индексами (111), т. е. от оси Х, Y и Z эта плоскость «отсекает» одинаковые величины, равные: Х = 1а, Y=1a и Z=1а.

Так как расстояния между атомами в разных плоскостях и направлениях различаются, то соответственно и свойства в разных направлениях сильно отличаются. Это явление называется анизотропией.

1.2. Дефекты кристаллического строения

Однако в макрообъемах любого металла есть отклонения (дефекты) от идеального строения, в частности, вакансии и дислоцированные атомы (рис. 3).

Вакансия – отсутствие атома в любом узле элементарной ячейки, например атома, центрирующего ОЦК ячейку Fe, а дислоцированный атом, наоборот, наличие лишнего атома в этой ОЦК ячейке.

7

Электронный архив УГЛТУ

Рис. 3. Точечные (одномерные) дефекты кристаллического строения: а – вакансия; б – дислоцированный атом

Эти точечные дефекты влияют на свойства и процессы, протекающие в металлах при внешних воздействиях (температура, давление), так как искажают, деформируют кристаллическую решетку.

Другим дефектом кристаллического строения являются дислокации. Дело в том, что объем металла, например 1 мм3, можно в идеале представить себе как блокнот, в котором каждый лист представляет собой атомную плоскость (рис. 4), а один лист – «плоскость В» неполный.

Рис. 4. Кристалл с неполной атомной плоскостью В: .

а – объемное изображение; б – плоское изображение (фасад), сечение дислокаций, «дислокационные трубки»

Неполная плоскость (экстараплоскость) В заканчивается внутри кристалла (линия А-А) и вдоль этой линии атомы смещены от равновесного состояния. Это и есть линейная дислокация – двумерный дефект кристаллического строения. При этом следует отметить, что дислокация не есть что-то материальное, а это есть зона смещения атомов от их регулярного положения. Плотность ρ – количество этих дислокаций,

8