Матеріалознавство-наука, що вивчає будову і властивості матеріалів і встановлює зв'язок між їх складом, будовою і властивостями. Під матеріалами потрібно розуміти какметалли, так і неметалеві сполуки.
Наука «металознавство» -як частина матеріалознавства виникла в середині XIX в. Вперше зв'язок між будовою і властивостями металів встановив П.П.Аносов (1799-1855 рр.), Що застосував для вивчення стали мікроскоп. Пізніше (1863 р) мікроскоп для дослідження будови металів використовував Сорби (Англія) .Однак основи наукового металознавства були закладені видатним російським металургом Д.К.Черновим (1839-1921гг.), Який за свої роботи був названий в літературі батьком металограф-фії .
Продовженням робіт Чернова Д.К. з'явилися дослідження Н.В.Гутовского, Н.П.Чіжевского, Р.Аустена, а пізніше А.М.Бочвара. Г.В.Курдюмова. Н.С.Курнакова і ін.
Досягнення в галузі фізики міцності і пластичності за останні роки дозволили перевести фізичне металознавство на якісно но-вий рівень і забезпечили небувалий прогрес в розробці конструкційн-них і інструментальних матеріалів в різних областях техніки.
АТОМНО-КРИСТАЛІЧНА СТРУКТУРА МЕТАЛІВ
1.1. Класифікація металів
Під металами розуміють певну групу елементів, розташований-ву в лівій частині Періодичної таблиці Д. І. Менделєєва. У техніці під металом розуміють речовини, що володіють "металевим блиском", в тій чи іншій мірі властивим будь-який метал, і пластичністю. З цього приз-наку метали можна легко відрізнити від неметалів, наприклад дерева, кам-ня, скла або фарфору.
Особливість будови металевих речовин полягає в тому, що вони все побудовані в основному з таких атомів, які мають зовнішні елект-ку слабо пов'язані з ядром. Це обумовлює і особливий характер хі-чеського взаємодії атомів металу, і металеві властивості. Елект-ку мають негативний заряд, і досить створити незначну раз-ність потенціалів, щоб почалося переміщення електронів по направле-ня до позитивно зарядженого полюса, що створюють електричний струм. Ось чому метали є хорошими провідниками електричного струму, а неметали або не є. Слабкий зв'язок зовнішніх електронів з ядром обумовлює хімічні і фізичні властивості металів.
В силу зазначених вище особливостей метали і їх сплави мають сле-ший атомно-кристалічну будову. У певних місцях кристал-вої решітки розташовуються позитивно заряджені іони, а зовніш-ні вільні електрони створюють всередині металу, як би легкотекучая рідина, або електронний газ, який безладно рухається у всіх напрямках. При певних умовах, наприклад при створенні рознос-ти потенціалів, рух електронів отримує певний напрям і виникає електричний струм.
Теорія металевого стану розглядає метал як вещест-во, що складається з позитивно заряджених іонів, оточених отрицатель-но зарядженими частинками - електронами, слабо пов'язаними з ядром. Ці електрони безперервно переміщаються всередині металу і належать не од-ному якомусь атому, а всієї сукупності атомів.
Таким чином, характерною особливістю атомно-кристалічної будови металів є наявність електронного газу всередині металу, слабо пов'язаного з позитивно зарядженими іонами. Легке переміщення цих електронів усередині металу і мала їх зв'язок з атомами обумовлюючи-ють наявність у металів певних металевих властивостей (висока електро- і теплопровідність, металевий блиск, пластичність та ін.)
Всі метали можна розділити на дві великі групи - чорні і кольорові метали.
Чорні метали темно-сірого кольору, з великою щільністю (крім лужноземельних). високою температурою плавлення, і в багатьох випадках мають поліморфізмом. Найбільш типич-ним металом цієї групи є залізо.
Кольорові метали найчастіше мають характерну забарвлення: червону, жовту, білу. Мають великий пластичністю, малою твердістю, відно-сительно низькою температурою плавлення, для них характерна відсутність поліморфізму. Найбільш типовим металом цієї групи є мідь.
Всі метали - можна поділити наступним об-разом:
1. Залізні метали - залізо, кобальт, нікель і близький до них за своїми властивостями марганець. Кобальт, нікель і марганець часто застосовують як добавки до сплавів заліза, а також в якості основи для соответс-твующего сплавів, схожих за своїми властивостями на високолеговані стали.
2. Тугоплавкі метали (вольфрам), температура плавлення яких вище, ніж заліза (тобто 1539 о С), застосовують як добавки до легованих сталей, а також в якості основи для відповідних сплавів.
3. Рідкоземельні метали (РМЗ) - лантан, церій, неодим, празео-дим та ін. Об'єднуються під назвою лантаноїдів, і подібні з ними по властивостях ітрій і скандій.
4. Лужноземельні метали (літій, калій, натрій і ін) у вільному металевому стані не застосовуються, за винятком спеціальних випадків.
Кольорові метали поділяються:
1. Легкі метали - берилій, магній, алюміній, що володіють малою щільністю.
2. Благородні метали - срібло, золото, метали платинової групи.
3. Легкоплавкие метали - цинк, кадмій, ртуть, олово, свинець, вісмут, талій, сурма і елементи з ослабленими металевими свойс-твами - галій, германій.
1.2.Крісталліческое будова металів
Будь-яке речовина може перебувати в трьох агрегатних станах -твердих, рідкому і газоподібному.
Тверда речовина під впливом сил тяжкості зберігає форму, а рідке розтікається і приймає форму посудини. Однак це визначення недостатньо для характеристики стану речовини. Перехід з твердо-го в рідке і з рідкого в твердий стан (так само як з газообраз-ного в рідке) відбувається при певній температурі і супроводжує-ся різкою зміною властивостей.
У чому ж відмінність між газоподібним, рідким і твердим стану- ми?
У газах немає закономірності розташування частинок (атомів, молекул); частки хаотично рухаються, відштовхуються одна від одної і газ стре-мится зайняти якомога більший обсяг.
У твердих тілах порядок розташування атомів певний, законо-мірний, сили взаємного тяжіння і відштовхування врівноважені, і твер-ДОЕ тіло зберігає свою форму.
У рідини частинки (атоми, молекули) зберігають лише так називаючи-емий ближній порядок, тобто в просторі закономірно розташоване най-більшу кількість атомів, а не атоми всього обсягу, як в твердому ті-ле. Близький порядок нестійкий: він то виникає, то зникає під чинному законо-твием теплових коливань. Таким чином, ліквідність є хіба що проміжним між твердим і газоподібним; при відповідних умовах можливий безпосередній перехід з твердого стану в газоподібний без розплавлення - сублімації.
Правильне, закономірне розташування частинок (атомів, молекул) в просторі характеризує кристалічний стан. Кристалічну будову можна уявити собі у вигляді просторової решітки, в уз-лах якої розташовані атоми.
1.3.Крісталліческіе решітки металів
Кристалічний стан перш за все характеризується визначено-ним, закономірним розташуванням атомів в просторі.
Це обумовлює те, що в кристалі кожен атом має одне і те ж кількість найближчих атомів - сусідів, розташованих на однаковий-вом від нього відстані. Прагнення атомів (іонів) металу розташуватися ближче один до одного, щільніше, призводить до того, що число зустрічаються комбінацій взаємного розташування атомів металу в крис-Таллі невелика.
Розташування атомів в кристалі вельми зручно зображувати у вигляді просторових схем, у вигляді так званих кристалічних осередків. Під елементарних кристалічних осередком мається на увазі найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні в просторі дозволяє відтворити просторову кристалічну решітку.
Найпростішим типом кристалічної комірки є кубічна ре-щітка. У простій кубічної решітці атоми розташовані (упаковані) НЕ-досить щільно (рис.1.1, а).
Прагнення атомів металу зайняти місця, найбільш близькі один до одного, призводять до утворення решіток інших типів: кубічної об'ємно-центрованої, кубічної гранецентрированной і гексагональної плотноупакованной (рис.1.1).
У кубічної об'ємно-центрованої решітці (ОЦК) атоми располо-дружини в кутах куба і один атом в центрі обсягу куба. У гранецентрированной кубічної решітці (ГЦК) атоми розташовані в кутах куба і в центрі кожної грані, в гексагональної решітці атоми розташовані в кутах і центрі шестигранних підстав призми і три атома в середній площині призми.
Кубічну ОЦК решітку мають метали: Na, Li, W, V, Cr і ін. Кубічну ГЦК грати мають Pb, Ni, Ag, Au, Cu і ін.
Розміри кристалічної решітки характеризуються параметрами, або
періодами решітки. Кубічну решітку визначає один параметр - довжина ребра куба. Параметри мають величини порядку атомних розмірів і изме-ряют в ангстремах. Наприклад, параметр решітки хрому, що має структуру об'ємно-центрованої куба, дорівнює 2,878 А, а параметр решітки алюмінію, що має структуру гранецентрированного куба, 4,041 А.
Розміри гексагональної плотноупакованной решітки характеризуються постійним значенням с / а = 1,633. При інших значеннях с / а виходить не щільноупакована гексагональная решітка.
Деякі метали мають тетрагональную грати; вона характеризу-ється тим, що розмір ребра «з" не дорівнює розміру ребра «а». Ставлення цих параметрів ха-рактерізует так звану ступінь тетрагонального. Число атомів, що знаходяться на найбільш близькій відстані від дан-ного атома, називається координаційним числом. Наприклад, атом в простій кубічної решітці має шість найближчих рівновіддалених сосе-дей, тобто координаційне число цієї решітки дорівнює 6 (рис. 1.2).
Центральний атом в об'ємно-центрованої решітці має вісім найближчих рівновіддалених сусідів, тобто координаційне число цієї решітки дорівнює 8. Координаційне число для гранецентрированной решітки одно 12. У разі гексагональної плотноупакованной решітки координаційне число дорівнює 12.
1.4.Реальное будова металевих кристалів
Кристали металів зазвичай мають невеликі розміри. Тому метал-вої виріб складається з дуже великого числа кристалів. Подібним чином називається полікристалічним. Кристали неправильної форми в поликристаллическом агрегаті називаються зернами, або кристалами.
Різниця окремих зерен полягає в різної просторової орієнтації і найменшій відстані від даного атома для різних решіток.
1.5.Оріентаціі кристалічної решітки.
У загальному випадку орієнтація кристал-вої решітки в зерні випадкова, з різним ступенем ймовірності може зустрінеться будь-яка орієнтація її в просторі.
При дуже повільному відведення тепла при кристалізації, а також за допомогою інших спеціальних способів може бути отриманий шматок металу, який представляє собою один кристал, званий монокристал. Характер і ступінь порушення правильності або досконалості кристалічного ладі-ня визначають значною мірою властивості металів. Тому необ-обхідно розглянути зустрічаються недосконалості кристалічної будови або що-те ж саме будова реальних кристалів.
Одним з видів недосконалостей кристалічної будови є наявність незайнятих місць в вузлах кристалічної решітки, або інакше - вакансії, або атомних дірок (рис.1.3). Такий "точковий" дефект решітки грає важливу роль при протіканні дифузійних процесів в металах.
Число вакансій при кімнатній температурі дуже мало в порівнянні із загальним числом атомів (приблизно 1 вакансія на 10 18 атомів), несильно збільшується з підвищенням температури, особливо поблизу температури плавлення (1 вакансія на 10 4 атомів).
Іншим найважливішим видом недосконалості кристалічної будови є так звані дислокації (рис.1.4). Уявімо собі, що в Кристалічної решітці з яких-небудь причин з'явилася зайва напівпр-лоскость атомів, так звана екстраплоскості. Край такій площині утворює лінійний дефект (недосконалість) решітки, який називається крайової дислокацією. Крайова дислокація може сягати в довжину на багато тисяч параметрів решітки, може бути прямий, але може і вигі-баться в ту чи іншу сторону. У межі вона може закрутитися в спи-раль, утворюючи гвинтову дислокацію. Навколо дислокації виникає зона пружного спотворення решітки. Відстань від центру, дефекту до місця ре-шеткі без спотворення приймають рівним ширині дислокації, вона невелика і дорівнює кільком атомним відстаням.
Таким чином. правильність кристалічної будови порушується двома видами дефектів - точковими (вакансії) і лінійними (дислокаціями). Вакансії безперервно переміщаються в решітці, коли сусідить в ній атом переходить в "дірку", залишаючи порожнім своє старе місце. Пови-шення температури, теплової рухливості атомів збільшує число таких актів і збільшує число вакансій.
Лінійні дефекти не рухаються мимовільно і хаотично, як вакансії. Однак досить невеликого напруги, щоб дислокація почала рухатися, утворюючи площину, а в розрізі - лінію ковзання С.
Властивості окремо взятого кристала (монокристалла) по даному напрямку відрізняються від властивостей в іншому напрямку і, природно, залежать від того, скільки атомів зустрічається в цьому напрям. Разли-чие властивостей в залежності від напрямку випробування носить назву ани-зотропіі. Всі кристали анізотропії. Анізотропія - особливість будь-якого кристала, характерна для кристалічної будови.