Upload
philippa-demi
View
136
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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