© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

1

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ часть 1

ПО КУРСУ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

ВВЕДЕНИЕ Ключевая роль в осуществлении научно-технического прогресса отво-

дится машиностроению. Инженер-механик должен уметь правильно выбирать материал и технологию его обработки с целью получения заданной структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность изделий (деталей машин, конструкций, инструмента).

Хотя сведения о свойствах материалов можно найти в справочной литературе, оптимальное решение этой задачи невозможно без понимания закономерной связи между внутренним строением и свойствами материалов и влияния на ее характер внешних воздействий. Этому учит материаловедение - наука, изучающая связь между химическим составом, строением (структурой) и свойствами материалов и закономерности изменения этих свойств под влиянием внешних воздействий:

Обсудим кратко элементы этой схемы. Если говорить о машиностроении, то основными материалами по применению являются металлические сплавы (достаточно сказать, что среди конструкционных и инструментальных материалов около 90% приходится на долю железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов). Отсюда очевидна ведущая роль металловедения в науке о материалах.

При изучении конструкционных и инструментальных металлических сплавов наибольший интерес представляют их механические и зависящие от них технологические и эксплуатационные свойства.

Свойства материалов определяются их химическим составом и внутренним строением, которое в свою очередь зависит от химического состава материала.

Химический состав - это процентное содержание химических элементов, присутствующих в материале.

Что касается понятия «строение (структура) материалов», то, вообще го-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

2

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

воря, оно имеет очень широкий смысл, включающий все сведения о материале от электронного строения отдельных атомов до макродефектов изделий. В практическом металловедении принято использовать термин «структура», под которым обычно подразумевают микроструктуру сплавов, изучаемую в основном с помощью оптического микроскопа (разрешающая способность, определяемая длиной волны видимого света, около 3 10-5 см)1, т. е. тип и относительное количество фаз, форму, размеры и взаимное расположение кристаллов этих фаз. В этом смысле (если не оговаривается особо) понятие «структура» используется и в данном пособии.

На свойства материалов можно влиять непосредственно через их химический состав (хорошо известна, например, существенная зависимость свойств технических металлов от содержания примесей), так и посредством изменения их структуры путем варьирования химического состава (это направление эффективно используется при создании сплавов).

Свойства материалов зависят также от внешних факторов: механических, термических, химических и других воздействий. Причем влияние этих воздействий может быть либо непосредственным (например, рост электросопротивления металлов с увеличением температуры), либо через структурные превращения (повышение твердости при пластическом деформировании или термической обработке сплавов) или совместное изменение и структуры и химического состава (повышение поверхностной твердости и износостойкости сплавов путем химико-термической обработки).

Таким образом, изучение и целенаправленное использование закономерностей, действующих в цепи: химический состав → структура → свойство с учетом внешних воздействий, является основной задачей материаловедения.

Приведенные соображения определили содержание настоящего учебного пособия по курсу «Материаловедение» для студентов механических специальностей, обучающихся без отрыва от производства. Тематика пособия охватывает круг вопросов, составляющих основу металловедения. Рассматриваются кристаллическое строение металлов и сплавов и закономерности формирования их структуры в процессе кристаллизации. Изучается влияние несовершенств кристаллического строения на свойства металлических материалов. На основании этих представлений обсуждаются явления упрочнения металлов в результате пластического деформирования и сплавления. Значительное внимание уделено анализу и практическому использованию диаграмм состояния как методологи-

1 Для изучения структурных объектов высокой степени дисперсности используется электронный микроскоп с разрешающей способностью 5 10-8 см.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

3

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ческой основе материаловедения.

Этой важной темой, позволяющей закономерно связать химический состав и структуру сплавов с их свойствами, завершается изложение учебного материала пособия. Его изучение обеспечивает необходимую подготовку к освоению разделов курса, посвященных структуре и свойствам конкретных промышленных сплавов.

Глава 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

1.1. МЕТАЛЛИЧЕСКИИ ТИП СВЯЗИ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Атомы в твердых телах удерживаются прочными межатомными связями. Характер этих связей, их сила определяются электронным строением отдельных атомов, причем главную роль играют электроны, находящиеся на внешних оболочках, - валентные электроны.

Для электронной структуры атомов металлических элементов характерно малое число валентных электронов (1, 2, реже 3). Сила связи электронов с ядром пропорциональна их количеству. Поэтому валентные электроны атомов металлических элементов значительно слабее «привязаны» к ядру, чем в атомах неметаллов, В этом случае объединение отдельных атомов в твердом теле - металле - приводит к обобществлению валентных электронов, образованию электронного газа. Этот газ практически свободно перемещается между ионами, образовавшимися из нейтральных атомов вследствие «потери» ими валентных электронов.1

В такой модели металлический тип связи можно представить, как электростатическое взаимодействие между положительно заряженными ионами и электронным газом, имеющим отрицательный заряд. Следовательно, электронный газ играет роль «цементирующей» прослойки, связывающей между собой одноименно заряженные ионы.

Эти представления позволяют понять характерные для металлов высокие значения электро- и теплопроводности. Действительно, большое количество свободных электронов (примерно 1022 1/см3) обеспечивают эффективный пере-

1 Реально в металле происходит обобществление валентных электронов, а не потеря (или приобретение) их атомами, как в веществах с ионным типом связи. Поэтому более правильно здесь говорить не об ионах, а атомных остатках - атомах за вычетом валентных электронов. Тем не менее при качественном рассмотрении межатомной связи в металлах для наглядности пользуются представлением об ионах. Такое упрощение оправдано тем, что атомные остатки, как и ионы, имеют положительный заряд.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

4

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

нос заряда и теплоты в металлах.

Металлический тип связи объясняет и свойственную металлам высокую пластичность. Поскольку атомы (ионы) в этом случае скрепляются нелокализованными свободными электронами, такая связь не имеет определенного направления (в отличие, например, от ковалентной связи), она сферически симметрична. Поэтому пластическое деформирование металла, приводящее к сдвигу атомов (ионов) относительно друг друга, не разрушает связи, не изменяет ее характер. Это и означает высокую пластичность металлов, их способность легко деформироваться в процессе обработки давлением (ковки, штамповки и т.

п.).

Особенности металлической связи обусловливают и характер размещения атомов в металле - его кристаллическую структуру.

Понятно, что в коллективе электронов и одноименно заряженных ионов, помимо сил притяжения, действуют и силы отталкивания. Зависимости этих сил от расстояния между ионами различны. На малых расстояниях резко возрастают силы отталкивания (этим объясняется малая сжимаемость твердых тел), с увеличением расстояния они быстро убывают, становятся меньше сил притяжения. Устойчивое положение ионов достигается при некотором расстоянии r=r0 , где эти силы уравновешиваются и результирующая сила F=0.

Это значит, что существуют определенные предпочтительные расстояния между ионами r0, которые отвечают минимуму энергии их взаимодействия Е,

т. е. ∂Е/∂r=Fr=r0 =0 (рис. 1.1).

Из термодинамики известно, что условием стабильности любой системы является минимум ее энергии.

Рис. 1.1. Зависимость энергии взаимодействия E атомов (ионов) в кристалле от расстояния r между ними

В связи с этим атомы в металлах расположены строго упорядоченным образом, на определенных расстояниях друг от друга по различным направлениям. Центры атомов, соединенные системой параллельных линий в трех различных направлениях (х, у, z), образуют пространственную периодическую решетку (рис. 1.2). Видно, что закономерный порядок в расположении атомов в различных направлениях сохраняется на расстояниях, во много раз превышающих расстояния между соседними атомами. Такой порядок называется даль-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

5

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ним, а тела, им обладающие, кристаллическими. Большинство материалов в твердом состоянии (металлы, диэлектрики, полупроводники) имеют кристаллическое строение. В отличие от них некристаллическим, аморфным телам присущ лишь ближний порядок, т. е. повторяемость взаимного расположения атомов только в пределах ближайшего окружения данного атома. Примерами некристаллических тел являются жидкости, расплавы, а в твердом состоянии - органические и неорганические стекла и получаемые в особых условиях (см. главу 2) аморфные металлы (металлические стекла).

Рис. 1.2. Пространственная периодическая (кристаллическая) решетка

Основное свойство кристаллических решеток - пространственная периодичность. Это означает, что всегда можно выбрать некий элементарный объем в решетке, многократное повторение которого в трех измерениях позволит воспроизвести решетку в целом. Такой минимальный объем, сохраняющий характерные признаки данной решетки, называется элементарной ячейкой и представляет собой в общем случае параллелепипед, построенный на трех векторах

а, b, с (рис. 1.2).

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

Количественно кристаллические решетки описываются следующими основными характеристиками:

1. Период (или параметр) решетки - длина векторов, на которых построена элементарная ячейка, или, другими словами, расстояние между центрами соседних атомов, помещенных в узлах элементарной ячейки. Т. е. в общем случае (рис. 1.2) решетка характеризуется тремя параметрами (периодами) - скалярными величинами а, b, с.

Период (и тип) решетки определяется рентгеноструктурным анализом. Величина периода решетки металлических элементов составляет примерно

0,2...0,6 нм (1 нм =10-9 м =10-7 см =10 А).

Величины периодов решетки (а, b, с) и углов между векторами а, b, с определяют форму элементарной ячейки и соответственно кристаллографическую систему кристалла. Так, если периоды решетки одинаковы и все углы равны 90°, кристалл будет принадлежать кубической системе, т. е. иметь куби-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

6

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ческую решетку. Однако в пределах данной системы решетки могут различаться способами расположения в них атомов (см., например, разновидности кубических решеток на рис. 1.3 и 1.5). От характера размещения атомов зависит компактность решетки (плотность упаковки ее атомами). Для оценки компактности решеток используют две следующие характеристики.

Рис. 1.4. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Рис. 1.3. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки атомов в ней (б)

2.Координационное число К - число ближайших атомов, окружающих данный и находящихся от него на одинаковом расстоянии.

3.Относительная плотность упаковки q - отношение объема, занимаемого атомами в элементарной ячейке, к объему самой ячейки.

Для примера определим указанные характеристики в простой кубической решетке (такую решетку имеют, например, кристаллы каменной соли, NаСl). Реальная упаковка атомов радиуса r показана на рис. 1.3. Период такой решётки

-это ребро куба а=2r.

Для того чтобы определить значения K и q, т. е. оценить компактность решетки, нужно представить элементарную ячейку как один из кубиков пространственной периодической решетки (рис. 1.4). Легко видеть, что координационное число K в этом случае равно 6 (поэтому простая кубическая решетка в кристаллографии обозначается как K6).

Этот же рисунок поможёт определить и относительную плотность упа-

ковки. По определению (см. выше) q = 4 / 3πr3 n , a3

где п - число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что каждый из 8 атомов, находящихся в вершинах ячейки, принадлежит ей лишь 1/8 своей частью. Поэтому п=1/8×8=1. Тогда, учитывая, что а=2r, найдем величину q=0,52. Это значит, что простая кубическая решетка «заполнена веществом» примерно наполовину; 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты. Такая решетка является «рыхлой».

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

7

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

высокой степенью компактности, т. е. с большими значениями К и q. Это является следствием металлического типа связи.

Выше отмечалось, что такая связь, осуществляемая посредством газа свободных (валентных) электронов, является ненаправленной, сферически симметричной. Кроме того, поскольку валентные оболочки атомов в металлах не заполнены, металлическая связь характеризуется ненасыщенностью. В случае ковалентной связи п валентных электронов, обобществляемых соседними атомами, полностью (до 8) застраивают их внешние электронные оболочки. В этой ситуации каждый атом может быть окружен строго ограниченным числом соседей (К) в соответствии с правилом валентности К= 8-п.

Ненаправленность и ненасыщенность металлической связи приводят к тому, что атомы в металлах стремятся окружить себя максимально возможным числом соседей. Именно поэтому подавляющее большинство металлов кристаллизуется в трех типах решеток, которые характеризуются максимальными координационными числами и наиболее плотными упаковками. Это - объемноцентрированная (ОЦК), гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП) решетки. Их элементарные ячейки1 и характеристики (они определяются подобно тому, как это делалось выше для простой кубической решетки) приведены на рис. 1.5. Отметим, что значения К=12 и q=74 % являются максимальными для упаковки частиц, представляющих собой упругие шары.

Рис. 1.5. Основные типы кристаллических решеток металлов. ОЦК - объемноцентрированная кубическая; ГЦК - гранецентрированная кубическая; ГП - гексагональная плотноупакованная

1 Элементарные ячейки решеток могут выбираться различными способами. В частности, элементарной ячейкой ГП решетки по сути является параллелепипед, в основании которого ромб с углом 120° (на рис. 1.5 показан сплошными линиями). Однако обычно принято изображать ячейки так, чтобы они наилучшим образом отражали симметрию данного типа решетки. Этот принцип использован и на рис. 1.5.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

8

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

1.2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЯ РЕШЕТКИ (НЕСОВЕРШЕНСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ РЕАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ)

В реальных металлах всегда существуют отклонения от идеального от порядка в расположении атомов в кристаллической решетке. Эти нарушения называются несовершенствами или дефектами решетки. По геометрическому фактору дефекты решетки можно подразделить на точечные, линейные и поверхностные. Из дальнейшего будет ясно, что любые дефекты решетки в той или иной мере влияют практически на все свойства кристаллических тел, поэтому имеет смысл рассмотреть их более подробно.

1.2.1. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Известно, что атомы в твердом теле находятся в непрерывном колебательном движении, причем амплитуда колебаний возрастает с повышением температуры. В результате неравномерного распределения энергии между атомами отдельные, наиболее «энергичные» атомы могут покинуть узлы решетки. Оставшийся пустым узел решетки является ее дефектом - вакансией.

Если вакансия образуется внутри кристалла, то одновременно с ней появляется другой точечный дефект - дислоцированный атом (атом в междоузлии). Перечисленные дефекты есть в любой решетке, так как обычная причина их появления - тепловое движение атомов. С повышением температуры число этих дефектов растет по экспоненциальному закону. К резкому увеличению этих дефектов может привести также пластическая деформация металла и облучение его частицами высоких энергий (нейтронов).

Далее следует сказать, что металлы, даже специально очищаемые от примесей, никогда не бывают свободными от чужеродных атомов. Эти атомы, размещаемые либо в узлах решетки (в вакансиях), либо (при небольших размерах) в междоузельных пустотах, также являются точечными дефектами решетки.

Перечисленные типы дефектов схематически показаны на рис. 1.6. Вокруг любого такого дефекта возникает локальное искажение решетки

радиусом 1-2 межатомных расстояния. В этом смысле рис. 1.6. неточен, более правильно изобразить, например, вакансию следует так, как показано на рис. 1.7,а. При наличии дислоцированных атомов и атомов примесей решетка деформируется в обратном направлении (рис. 1.7,б).

Хотя размеры нарушений вокруг точечных дефектов, невелики, при достаточно большом количестве точечных дефектов они оказывают заметное влияние на свойства металлов. Это проявляется, в частности, в сильном умень-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

9

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

шении электропроводности меди при наличии некоторых примесей.

1.2.2. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Линейные дефекты называются дислокациями. Появление дислокаций вызвано наличием в отдельных частях кристалла «лишних» атомных полуплоскостей, называемых также экстраплоскостями. Экстраплоскости образуются в процессе роста кристаллов из расплава или в результате пластической деформации, как это показано на рис. 1.8. Видно, что под действием приложенного усилия Р произошел частичный сдвиг верхней части кристалла относительно нижней - образовалась экстраплоскость. Край (обрыв) экстраплоскости называется краевой дислокацией, она обозначается символом .

Рис. 1.6. Различные типы точечных дефектов кристаллической решетки.

1- вакансии;

2- дислоцированный атом (атом в междоузлии);

3и 4 - атомы примесей в узле и междоузлии решетки соответственно

Рис. 1.7. Локальное искажение кристаллической решетки вокруг вакансии (а) и примесного атома в узле решетки (б)

Вокруг линии дислокации dd возникает упругое искажение решетки. Радиус этого искажения невелик - лишь несколько постоянных решетки, протяженность же равна длине линии дислокации, т. е. может составлять сотни тысяч таких расстояний и в пределе достигать размера кристалла. Именно такая геометрия этих искажений решетки позволяет называть дислокации линейными дефектами.

Рис. 1.8. Образование краевой дислокации ( ) в результате частичного сдвига верхней части кристалла под действием усилия Р; АА - плоскость скольжения; dd - линия дислокации

Важнейшие механические характеристики металлов - прочность и пластичность - определяются наличием дислокаций, их поведением при нагруже-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

10

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

нии тела. В связи с этим необходимо остановиться на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.

1.Если в кристалле (какой-то его части) помимо дислокации отсутствуют другие нарушения в решетке, дислокация может легко передвигаться вдоль плоскости скольжения под действием весьма небольших усилий (рис. 1.9). Такое движение представляет собой последовательность элементарных актов и носит эстафетный характер. В каждом акте экстраплоскость смещает соседний (по ходу движения) слой атомов (расположенных на рис. 1.9 выше плоскости скольжения АА) на одно межатомное расстояние, и сама занимает его место. В результате «старая» экстраплоскость исчезает и появляется смещенная относительно нее новая, т. е. происходит передача «эстафетной палочки» - дислокации на одно межатомное расстояние. Если приложенное усилие достаточно1, этот процесс будет развиваться до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и самоликвидируется. Выход дислокации на поверхность кристалла означает необратимое смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние - пластическую деформацию. Поскольку в каждом элементарном акте такого смещения участвуют только атомы слоев, соседних с экстраплоскостью, движение дислокации не требует значительных усилий.

2.В любых, даже самых совершенных металлических кристаллах всегда имеется достаточно большое количество различных дефектов решетки. Вспомним, например, тепловую природу вакансий. В технических металлах уже в

процессе их кристаллизации возникает до 106...108 дислокаций в сечении, равном 1 см2.2

Дислокации взаимодействуют друг с другом и другими дефектами решетки, что приводит к ограничению их подвижности.

Если в кристалле много дислокаций, то их скольжение происходит обычно по нескольким системам плоскостей. При пересечении этих плоскостей пересекаются дислокационные линии различных систем скольжения. При этом дислокации блокируют, тормозят друг друга.

1Из курса сопротивления материалов известно, что пластическая деформация реализуется, если при приложении нагрузки Р в сечении S возникает напряжение σ = P/S, превышающее предел текучести (см. ниже разд. 1.3).

2Плотность дислокаций р определяется длиной их линий, приходящейся на единицу объема [см/см3], или числом линий дислокаций, пересекающих площадку в 1 см2