Автор работы: Пользователь скрыл имя, 22 Февраля 2012 в 23:04, доклад
Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.
Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.
1. Введение.
Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.
Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.
Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами.
3.Атомно-кристаллическое строение металла.
Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.
В узлах кристаллической решетки располагаются атомы.
Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.
Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.
Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки.
Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах
1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.
1кХ=1,00202 А
На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.
В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.
1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.
Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.
2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.
Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.
3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.
4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.
В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.
Примеры:
ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe;
ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe;
ГПУ – бериллий … .
Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.
Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.
На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.
Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.
Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.
От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.
4. Кристаллографические обозначения атомов, плоскостей и направлений.
Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z.
ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)
Под индексами кристаллографических плоскостей и направлений было вызвано потребностью объяснить зависимость свойств металлов от направлений кристаллографических плоскостей. Иными словами, дать объяснение с точки зрения техники понятие влияния анизотропии.
По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.
Неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле и называется анизотропией.
Любой кристалл – анизотропен. Однако, поскольку реальные металлы состоят из большого числа зерен (на 1 см2 – десятки тыс. зерен) создается впечатление, что металл изотропен, т.к. каждое из зерен ориентировано по-своему – это явление получило название квазианизотропией (ложной).
Поэтому, если испытывать металл по различным направлениям, то свойства его будут одинаковы. Деформирование металлов приводит к ориентации зерен, а также кристаллографических плоскостей в направлении деформации. Закономерная ориентация кристаллографических плоскостей в направлении действующих нагрузок называется текстурой.
5. Дефекты кристаллического строения или реальное строение атома.
Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки колеблются. В любой момент в кристалле всегда проявляются атомы, имеющие большую энергию по сравнению с близлежащими атомами. При чем этой энергии хватает не только на то, чтобы атомы вышел из своего узла, но и на то, чтобы он преодолел потенциальные барьеры, выстраиваемые на его пути близлежащими атомами.
В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом.
Как в первом, так и во втором случаях кристаллическая решетка искажается вокруг дефекта на несколько атомных периодов.
Вокруг вакансий решетка как бы искажается, пытаясь залечить вакансию, а вокруг дислоцированного атома – наоборот. Вакансию иначе называют «дыркой».
Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.
Дислокации бывают краевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.
Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.
Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()
В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.
В деформированных = 106...108см-2
Поверхностные дефекты. К ним относятся границы зерен, фрагментов, блоков.
Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.
Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.
Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.
Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае – по касательной.
Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.
Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.
При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.
При чем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.
Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.
Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.
10. Механические свойства металлов.
Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.
В первоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжении пц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается.
пц – получила название предел пропорциональности, который равен:
пц=Рпц/Fо, Мпа
При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический):
т=Рт./F о, МПа
Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пределом текучести.
02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%;
в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца.
Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:
- относительное удлинение;
- относительное сужение.
К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).
Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.
Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.
Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.
Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.
После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.
Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.
В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.