 |
Кристаллическое строение металлов
|
|
|
|
Министерство сельского хозяйства и продовольствия
Российской Федерации
Саратовский государственный аграрный университет
Им. Н.И. Вавилова
Кафедра «Технология металлов и материаловедение»
А.А. Аникин, В.А. Хотинский, А.В. Павлов, А.А. Аникин
Учебное пособие
По курсу
«технология конструкционных материалов»
Для студентов специальности 150405 (170400) – «Машины и оборудование лесного комплекса».
Саратов 2006
Допущено УМО по образованию в области лесного дела в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 150405 (170400) – «Машины и оборудование лесного комплекса».
Составители: д.т.н Аникин А.А., к.т.н. Хотинский В.А., к.т.н. Павлов А.В., к.т.н. Аникин А.А.
Рецентзенты: д.т.н. Королев А.В. (Саратовский ГТУ),
д.т.н Загородских Б.П. (Саратовский ГАУ)
В настоящем учебном пособии рассмотрены основы черной и цветной металлургии, литейного производства, обработки металлов давлением, сварки, пайки, напыления, порошковой металлургии. Приведены основные сведения о пластмассах, резинах, композиционных материалах, клеях и других неметаллических материалах. Рассмотрены особенности их производства.
Основная задача данного учебного пособия – это помочь будущему инженеру в его практической деятельности: правильно оценить возможности металлов и различных сплавов при производстве деталей, установить связь между условиями производства и свойствами изготавливаемых деталей для дальнейшего их рационального применения в различных отраслях промышленности. Учебное пособие предназначено для студентов инженерных специальностей.
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими задачами на пути научно-технического прогресса являются совершенствование традиционных и создание новых технологических процессов получения конструкционных материалов, изготовление из них заготовок и деталей, а также придание последним высокого качества и надежных характеристик.
Следовательно, для успешного решения многих практических вопросов, связанных с научно-техническим прогрессом в различных областях техники, Будущим инженерам необходимо иметь сведения о современных способах получения и обработки металлов и неметаллических сплавах, их свойствах и областях рационального применения. Где бы они не работали, будущие специалисты должны знать основы технологии, без чего не могут создаваться надежные и экономичные конструкции машин, приборов и механизмов.
Курс «Технология конструкционных материалов» изучает основы производства получения чугуна, стали, цветных металлов, неметаллических материалов, их свойства, а также способы горячей и холодной обработки этих материалов, широкого использования их в различных отраслях народного хозяйства. Его задача: исходя из знания свойств металлов правильно и рационально применять их в различных отраслях промышленности.
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Классификация металлов
Как известно, три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами и большинство из них применяются в технике. Как правило, все металлы сочетают высокую твердость с хорошей пластичностью и вязкостью, имеют большую плотность, хорошую тепло- и электропроводность и сравнительно малую теплоту превращения.
Уникальное сочетание этих свойств, не встречающееся у других материалов, и явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.
Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы.
|
|
|
Прежде всего, все металлы подразделяются на черные и цветные.
Это, несомненно, условная классификация, которая сложилась исторически.
Черные металлы – имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичными представителями этой группы являются железо и его сплавы (чугун и сталь), являющиеся основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов, свыше 90 % приходится на железо и его сплавы.
Это объясняется не только ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто. Также наряду с черными металлами важное значение в технике имеют и цветные металлы.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую, обладают большой пластичностью, относительно низкой температурой плавления и малой твердостью. Наиболее широко они используются в самолетостроении, радиотехнике, электротехнике и др. областях.
Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:
1. Железные металлы – железо, кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец. Они применяются как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.
2.Тугоплавкие металлы – температура плавления выше, чем железа (т.е. выше 15390С). Это титан, ванадий, хром. Их применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.
3.Урановые металлы – актиниды – актиний, уран, торий, плутоний, имеющие преимущественное применение в сплавах атомной энергетики.
4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантоноидов, сюда же входит иттрий. Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый «мишметалл».
5. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются (литий, натрий, калий).
|
|
|
Цветные металлы подразделяются на три группы:
1. Легкие металлы (обладающие малой плотностью) – бериллий, магний, алюминий.
2. Благородные металлы – серебро, золото, платина, палладий, и др., обладающие высокой устойчивостью против коррозии.
3. Легкоплавкие металлы – цинк, ртуть, олово, свинец, сурьма.
Кристаллическое строение металлов
Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Какими силами связаны атомы в кристаллической решетке?
Существуют четыре основных типа связи в твердых телах:
- ковалентный тип связи (между атомами неметаллов Сl);
- ионный тип связи (между атомами металлов и неметаллов NaCl);
- металлический тип связи (между атомами металлов)
- остаточная связь парафин (Т пл. низкая, мягкий);
Рассмотрим металлический тип связи, благодаря которому металлы приобретают присущие им свойства.
Кристаллическое строение металлов характеризуется закономерным размещением атомов в пространстве с образованием кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой находятся положительные ионы, а внешние отрицательно заряженные электроны образуют так называемый электронный «газ» (рис.1.1).
Рис.1.1. Металлический тип связи.
1 –положительно заряженные ионы;
2 – отрицательно заряженые электроны.
Атомы в решетке связаны силами взаимного притяжения и отталкивания электрон - между положительно заряженными ионами и электронным «газом». Такая связь не является жесткой и направленной, поэтому атомы могут скользить друг относительно друга, разрушая сплошности материала, что и обеспечивает высокую пластичность металлов (рис.1.2). Наличием данного электронного «газа» объясняются такие свойства металлов как электропроводность, теплопроводность, пластичность.
Рис.1.2. Схема сдвига в решетке металла
при пластической деформации
Атомы (ионы) могут, располагаясь в узлах кристаллической решетки, образовывать правильные геометрические фигуры. Что такое кристаллическая решетка? Это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы, образующие металл. Металлы могут давать сравнительно небольшое число вариантов расположения атомов в пространстве (рис. 1.3). У металлов наиболее часто встречаются следующие типы решеток:
|
|
|
Рис. 1.3. Типы кристаллических решеток металлов.
а - кубическая объемно-центрированная (ОЦК)
(Мо, Fe, V, Na, Cr, Ta, K, Li, и др.)
б - кубическая гранецентрированная (ГЦК)
(Cu, Al, Pt, Fe, Erg, Au, и др.)
в - гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (Mg, Be, Y, Co, и др.)
Размеры элементарной ячейки называются параметрами решетки, они обозначаются а, в, с и измеряются в ангстремах (1А=10-8 см). Из этих решеток (элементарных ячеек) строятся кристаллы металлов. Каждый кристалл состоит из большого количества мелких кристаллических решеток, в которых атомы расположены закономерно.
Однако, образовавшиеся реальные кристаллы не обладают строгой периодичностью в расположении атомов, они имеют те или иные несовершенства, т.н. дефекты кристаллического строения. Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве: точечные, линейные, поверхностные, объемные. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободной от атомов), межузельные атомы, примеси замещения.
У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины. У поверхностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.
|
|
|
