Материаловедение





Строение металлических конструкционных материалов




В природе существует две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул); аморфные - хаотичным.

Металлы и сплавы – основные машиностроительные материалы, которые обладают свойствами, обусловленными их внутренним строением.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, образованный минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве по трем непараллельным направлениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой.

Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток (Рисунок  2):

  • объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Nа, V, Nb, Feα, К, Сг, W и другие металлы;
  • гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Рв, А1, Ni, Аg, Аu, Сu, Со, Fe и другие металлы;
  • гексагональная плотно упакованная (ГПУ) - четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Мg, Ti, Rе, Zn, Hf, Ве, Са и другие металлы.

неметаллические материалы

неметаллические материалы

неметаллические материалы

неметаллические материалы

а)

б)

в)

г)


         а) – схема кристаллической решетки; 
         б) – ячейка объемно-центрированная кубическая (ОЦК); 
         в) – ячейка гранецентрированная (ГЦК); 
         г) – ячейка гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Рисунок 2.  Схемы кристаллических решеток





Некоторые металлы могут существовать в нескольких формах (Ti, Co, Zr, Fe). Это явление носит название аллотропии (полиморфизма). Так, железо при нагреве претерпевает ряд аллотропических превращений.

При температуре:

  • до 728о С железо имеет решетку ОЦК и обозначается Feα;
  • 1400…910o С имеет решетку ГЦК  и обозначается Feγ (немагнитно);
  • 910…768oC – имеет решетку ОЦК  и обозначают  Feβ (немагнитно);
  • более 768oC  Feβ превращается в магнитное Feα.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным.

Характерным признаком кристалла является твердое состояние до температуры плавления, причем процесс плавления происходит при постоянной температуре.

***

Физико-механические свойства конструкционных материалов