Внимание!

Вы ознакомились (нет – изучили!) с содержанием введения и темы 1.1. Для проверки усвоения этого учебного материала попробуйте ответить на следующие вопросы.

Вопросы для самопроверки к теме 1.1

1. Что такое химический состав материала?

2. Что входит в понятие структуры (микроструктуры) материалов?

3. Какие свойства наиболее важны для конструкционных материалов? Почему?

4. Какова цель «материаловедческой подготовки» инженеров?

5. Перечислите основные механические свойства материалов.

6. Назовите наиболее распространенные характеристики прочности. Как они определяются, в каких единицах измеряются?

7. Перечислите приборы для измерения твердости; как обозначаются величины твердости, полученные на этих приборах?

8. Что такое пластичность? Какими характеристиками оценивают ее величину?

9. Какое свойство характеризуется символом KCU? Каков принцип его определения? В каких единицах оно измеряется?

10. Каково характерное свойство материалов с низкой величиной KCU?

Если Вы успешно отвечаете на эти вопросы, можно переходить к проверке качества Ваших знаний данной темы с помощью тестов.

Читайте внимательно тестовые задания. Обычно правильный ответ в каждом вопросе один из 5 перечисленных. Однако в тестах к другим темам «Опорного конспекта» задания могут быть усложнены. Правильность ваших ответов можете проверить в конце конспекта.

Промежуточные тесты к теме 1.1

I. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению?

1. Твердость.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Ударная вязкость.

5. Предел текучести.

II. Какая характеристика металла должна быть высокой для успешной обработки его давлением (например, холодной штамповки)?

1. Предел текучести.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Модуль упругости.

5. Твердость.

III. Если при испытании образца оказалось, что величина δ ≈ 0 %, то при каком виде нагружения можно успешно эксплуатировать изделия из данного материала?

1. Изгиб.

2. Кручение.

3. Растяжение.

4. Сжатие.

5. Удар.

IV. Какое из перечисленных свойств является механическим?

1. Плотность.

2. Электросопротивление.

3. Пластичность.

4. Коэрцитивная сила.

5. Теплоемкость.

Если Вы ответили на эти вопросы для самопроверки и справились с тестами, можете переходить к освоению следующей темы «Опорного конспекта». Если возникли проблемы с ответами на какие-то вопросы, следует повторить изучение соответствующих частей данной темы. Поступайте подобным образом и при изучении последующих тем «Опорного конспекта».

Тема 1.2. Кристаллическое строение и свойства металлов

Все написанное ниже справедливо для любых кристаллических материалов, но можно начать с чистых металлов, являющихся основой металлических сплавов, т.е. большинства промышленных материалов.

Физической основой обсуждаемых здесь проблем являются представления об атомном строении твердых тел, изучаемые в соответствующих темах физики и химии, содержание которых желательно освежить в памяти.

1.2.1. Кристаллические решетки металлов

Металлы обычного способа производства имеют кристаллическое строение. В кристаллах атомы расположены строго упорядоченным образом так, что, если через их центры провести воображаемые линии вдоль трех координатных осей, они образуют пространственную (кристаллическую) решетку (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками. В общем случае элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах ,,(рис. 1.2.1).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в них атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются тремя основными характеристиками:

1. Период (или параметр) решетки – расстояние между соседними узлами решетки вдоль трех координатных осей. В общем случае решетка характеризуется тремя параметрами – скалярными величинами а, в, с (рис. 1.2.1.).

В случае простой кубической решетки (рис. 1.2.2) имеется один параметр решетки, равный ребру элементарной ячейки (куба).

Р

α

ис. 1.2.2. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки в ней атомов (б)

Очевидно, что величина параметра решетки очень мала (в металлах ≈0,2…0,6 нм; 1 нм = 10^-9м) и определяется рентгеноструктурным анализом.

2. Координационное число (К) – число ближайших соседей, окружающих данный атом и находящихся от него на одинаковых расстояниях. Для оценки величины К нужно представить, что элементарная ячейка со всех сторон окружена себе подобными (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.3. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Видно, что в простой кубической решетке К = 6.

3. Относительная плотность упаковки решетки атомами (q) – отношение объема, занимаемого атомами в ячейке, к объему самой ячейки, т.е.

q = %, (1.2.1)

где r – радиус атома, а – параметр решетки (см. рис. 1.2.2), n – число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что в простой кубической решетке n = (см. рис. 1.2.3), поэтому легко подсчитать (учитывая, чтоа = 2r), что в простой кубической решетке q = 52 %. Такая решетка является «рыхлой», так как 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты.

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т.е. с большими значениями К и q.

Многие металлы имеют объемноцентрированную (ОЦК) и гранецентрированную (ГЦК) решетки, их характеристики приведены на рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) решетки

Например, ОЦК решетку имеет Fe_α (или α–Fe), а ГЦК решетку – Fe_γ (или γ–Fe). Такая способность некоторых веществ иметь различный тип решетки называется полиморфизмом.

Полиморфизм железа играет важнейшую роль в формировании структуры и свойств железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (Темы 2.1 и 2.2 «Опорного конспекта»).