Матеріалознавство. Тема 1 - 2

Тема1. Зміст дисципліни

Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознав­ство — це наука про способи видобування, властивості та ме­тоди обробки металевих й неметалевих матеріалів.

Без конструкційних матеріалів, особливо без металів, не обходиться жодна галузь сучасного виробництва. Саме тому майбутній інженер-механік повинен здобути у вищому навчаль­ному закладі не лише ґрунтовні теоретичні знання про будову, властивості та новітні технології обробки матеріалів, але й ово­лодіти основними методиками лабораторних досліджень і тех­нологічних розрахунків. Системні знання та практичні навики допоможуть йому згодом в умовах виробництва раціонально вибирати необхідні матеріали, використовувати зміцнювальні технології й призначати способи виготовлення заготовок і дета­лей машин.

Дисципліна „Технологія конструкційних матеріалів і мате­ріалознавство" складається із таких частин:

• 
  металургія чорних і кольорових металів,
• 
  матеріалознавство,
• 
  ливарне виробництво,
• 
  обробка металів тиском,
• 
  зварювальне виробництво,
• 
  обробка різанням,
• 
  спеціальні способи обробки,
• 
  виготовлення виробів з полімерних матеріалів.

Металургія — галузь промисловості, яка забезпечує видо­бування металів із руд. Метали в рудах перебувають переважно н хімічно зв'язаному стані. їх відновлюють і рафінують здебіль­шого при високих температурах у спеціальних агрегатах.

Матеріалознавство вивчає у взаємозв'язку склад, будову та властивості матеріалів. Воно об'єднує металознавство та науку про неметалеві матеріали. Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики та хімії. У матеріалознавстві широ­ко використовують сучасні структурні дослідження, фізичні та механічні випробування. Завдяки цьому, а також беручи до уваги економічні розрахунки, можна обґрунтовано визначити доцільність застосування того чи іншого матеріалу в конкрет­них умовах експлуатації. Знання теоретичних засад метало­знавства дає змогу глибше зрозуміти процеси ливарного та зва­рювального виробництв, обробки металів тиском і різанням.

Продукцією ливарного виробництва є виливки, які виготов­ляють, заповнюючи рідким металом порожнину форми, що має конфігурацію й розміри майбутнього виливка. Після кристалі­зації та охолодження металу форму руйнують або розкривають і виймають виливок. Ливарне виробництво передбачає підготовку формових і стрижневих сумішей, виготовлення ливарних форм і стрижнів, плавлення металу, наповнення форм рідким мета­лом, вилучення виливків із форм й очищення їхньої поверхні. Виливки виготовляють із чавуну, сталі, алюмінієвих, мідних, титанових, магнієвих, цинкових та інших сплавів.

Обробка металів тиском — це виготовлення заготовок (рід­ше деталей) з використанням пластичної деформації. Метал обробляють у гарячому й холодному стані. Процес високопро­дуктивний і економічно вигідний. До найпоширеніших видів обробки металів тиском належать: вальцювання, волочіння, пре­сування, кування, листове та об'ємне штампування.

Зварювальне виробництво забезпечує отримання нерознімних з'єднань заготовок завдяки зближенню їх контактних повер­хонь до відстаней міжатомної взаємодії. Таке зближення відбу­вається внаслідок місцевого розплавлення металу й подальшої його кристалізації або внаслідок тиску. У виробничій практиці поширені різні способи дугового, контактного електричного, електрошлакового, газового та інших способів зварювання.

Поряд зі зварюванням застосовують також різання металу фізичними методами завдяки локальному його розплавленню теплотою дуги чи газового полум'я і хімічними методами, які ґрунтуються на локальному згорянні металу в струмені кисню. Обробка різанням — процес, під час якого різальним ін­струментом з поверхні заготовки відокремлюють шар металу у вигляді стружки з метою одержати деталі потрібної геометричної форми, заданих розмірів і якості поверхні. Незважаючи на значну трудомісткість і вартість обробки різанням, вона є ви­правданою, особливо тоді, коли необхідна висока точність і якість оброблених поверхонь.

Спеціальні способи передбачають обробку заготовок поверх­невим деформуванням, електрофізичними й електрохімічними методами.

Виготовлення виробів з полімерних матеріалів — порівня­но нова галузь промисловості, яка переважно використовує роз­глянуті вище технології. Полімерні матеріали поряд з метала­ми й неметалевими матеріалами (деревиною, склом, керамікою та ін.) широко застосовують у народному господарстві.

2. Загальна характеристика металів та розвиток науки про них

Металами називають речовини, які мають кристалічну будо­ву, металевий блиск, добру пластичність, високу електро- і тепло­провідність. Із 109 елементів періодичної системи Менделєєва близько 80 є металами. Найпоширеніші в природі метали — це алюміній (8,8 % маси земної кори) і залізо (4,6 %).

У машинобудуванні хімічно чисті метали майже не застосо­вують з огляду на відсутність в них необхідних механічних й технологічних властивостей. Якщо, наприклад, до рідкого ме­тилу спеціально ввести задану кількість хімічних елементів, то отримаємо матеріал з іншими властивостями, який називаєть­ся сплавом. Властивості металевих сплавів можна додатково змінювати, застосовуючи відповідну термічну або хіміко-термічну обробку. Кількість сплавів, які використовуються у сучас­ній техніці, невпинно зростає.

Умовно метали поділяють на чорні й кольорові.

До чорних металів належать залізо і сплави на його основі — сталі та чавуни. Ці сплави є основними в машинобудівній промисловості завдяки порівняно невисокій вартості, добрим технологічним і механічним властивостям. Недоліками чорних металів є висока їх густина та низька корозійна тривкість. З огляду на це спостерігається стійка тенденція до широкого використання сплавів на основі алюмінію, титану та магнію.

Кольоровими вважають всі інші метали, крім чорних. Для технічних потреб застосовують близько 70 кольорових металів. Серед них найважливішими є алюміній, мідь, магній, титан, цинк, свинець, олово, нікель, молібден, вольфрам, кобальт, тан­тал, цирконій, ніобій. Мідь і алюміній у технічно чистому ви­гляді використовують в електро- і теплотехніці. Здебільшого кольорові метали є основою сплавів або легувальними елемен­тами до них.

Шлях до сучасного використання металів був дуже довгим і складним. Розглянемо в ретроспективі використання металів. З археологічних розкопок відомо, що самородні метали — золо­то, срібло, мідь — почали застосовувати близько 8 тис. років тому. Найдавніші прикраси з міді, виявлені на території Туреч­чини, відносяться до VI тис. до н.е.. Знаряддя праці, виготовлені з бронзи у IV ст. до н.е., були знайдені теж на території Туреччини, а також Ірану та Месопотамії. До цього ж періоду належать і вироби з метеоритного заліза, виявлені в Єгипті.

Як вважають вчені, металургія заліза виникла понад три тисячі років тому в різних місцях земної кулі ( Мала Азія, Індія, Китай). Трохи згодом (початок І тис. до н.е.) залізо виплавляли з руд у Середній Азії, Закавказзі і на території теперішньої Швейцарії, де проживали племена кельтів. Уч­нями кельтів стали найближчі їхні сусіди — римляни та гер­манці.

Виробництво заліза на території України відоме з VII-V ст. до н.е. За часів Київської Русі залізо видобували способом без­посереднього його відновлення деревним вугіллям у горнах. У XIII-XVIII ст. в Галичині, на Поліссі, Київщині й Придніпро­в'ї залізо отримували в горнах і примітивних домницях. На Львівщині залізо виробляли в Звенигородці, що був зруйно­ваний татаро-монголами в 1241 р. У XVIII ст. в Галичині й на Поліссі з'явились перші доменні печі невеликих розмірів, у яких із місцевих болотних і гірських руд виплавляли чавун на дерев­ному вугіллі. На території Галичини в 1778 р. налічувалось 40 дрібних металургійних підприємств з печами висотою від 10 до 20 метрів. Чавун переробляли в сире залізо, яке потім кува­ли і навіть вальцювали.

Заводське виробництво чорних металів в Україні почало роз­виватись на початку XIX ст. разом з промисловою розробкою кам'яного вугілля в Донбасі та залізних руд у Криворізькому й Керченському басейнах.

Коротко зупинимось на розвитку технологій відновлення і переробки заліза. Спочатку його відновлювали із руд у закритих ямах, а згодом — у невисоких печах, що називались горнами. В горно насипали деревне вугілля й залізну руду. Щоб інтен­сивніше горіло підпалене вугілля, в горно вдували повітря мі­хами з ручним приводом. Температура в зоні горіння сягала 900 °С і більше. Відновлений Карбоном шматок заліза — криця мав вкраплення шлаку. Для витіснення шлаку крицю кілька разів проковували в нагрітому стані.

Винайдення водяного колеса стимулювало перехід від руч­них повітродувних міхів до продуктивніших механічних, що дало змогу інтенсифікувати горіння вугілля й збільшити висоту горна. Високе горно стали називати домницею. У Європі домниці виникли перед XIV ст. Зі збільшенням висоти домниці краще використовувалась теплота, збільшувалась температура процесу і як наслідок поряд зі шматком криці з'являвся роз­плавлений чавун. Чавун порівняно з крицею мав високий вміст вуглецю і характеризувався крихкістю. Його вважали небажа­ним продуктом і в Німеччині називали „ диким каменем", а в Англії „ свинячим залізом" (pig iron).

Згодом металурги навчились переробляти чавун у крицю в кричному горні, який нагадував домницю. В кричний горн за­вантажували шматки чавуну разом з деревним вугіллям. Під дією інтенсивного дуття згоряло вугілля, розплавлявся чавун і частина вуглецю в ньому вигоряла. Так виник продуктивніший від попереднього (одностадійного) двостадійний процес виробниц­тва криці: в першій стадії у домниці з руди отримували чавун, а в другій — із чавуну в кричному горні отримували крицю.

У 1784 р. англійський винахідник Генрі Корт (1740-1800) запропонував конструкцію пудлінгової печі для переробки ча­вуну в крицю. Піч замінила неекономічний кричний горн. Вона складалась з видовженого робочого простору і камери спалю­вання кам'яного вугілля. Твердий чавун завантажували крізь вікно в робочий простір печі. Продукти згоряння скеровували всередину печі, вони розплавляли чавун, оксидували вуглець і інші домішки. Розплавлений метал старанно перемішували за­лізними прутами. В міру вигоряння вуглецю метал поступово переходив у твердий стан через зростання його температури плавлення. Розігрітий шматок металу — крицю — виймали з печі й проковували. Пудлінговий процес дав змогу замінити деревне вугілля кам'яним, зменшити технологічні витрати за­ліза й мав вищу продуктивність порівняно з кричним.

Підвищені господарські й військові потреби вимагали не­впинного розширення і вдосконалення металургійного й мета­лообробного виробництв. Зросли вимоги до підготовки фахівців технічного профілю.

На базі нагромадженого виробничого досвіду німецький вче­ний Георг Бауер (1494-1555), знаний під латинським іменем Аґрікола, опублікував 12 розділів фундаментальної на той час праці „ Про гірничу справу та металургію". В ній докладно опи­сано 80 відомих тоді мінералів, техніку добування й способи збагачення руд, а також тогочасні металургійні процеси й устат­кування. Книжка Аґріколи служила підручником для гірників та металургів Західної Європи протягом двох століть.

Михайло Ломоносов (1711-1765), який був знайомий з пра­цею Аґріколи, видав 1763 року книжку „ Перші засади металур­гії або рудних справ", яка служила близько 50 років підручни­ком у Росії. В ньому описано шість металів — золото, срібло, мідь, олово, залізо та свинець.

Бурхливий розвиток металургії в Англії призвів до інтенсив­ного винищення лісів на її території. У зв'язку з цим проблема заміни деревного вугілля кам'яним стала дуже актуальною. Перші спроби такої заміни позитивних результатів не дали че­рез наявність у кам'яному вугіллі шкідливої домішки — сірки. Завдяки сухій перегонці кам'яного вугілля, виконаній анг­лійцем Абрагамом Дербі старшим (1678-1717), вдалось змен­шити кількість сірки в продукті перегонки — коксі. Однак досягти повної заміни деревного вугілля коксом він не зумів.

Лише його син Абрагам Дербі молодший (1711-1763) у 1735 р. отримав кокс потрібної якості й замінив ним деревне вугілля у доменному процесі. Такий кокс відрізнявся від кам'яного ву­гілля високою пористістю, відсутністю летких речовин й обмеженим вмістом сірки. І все ж, щоб широко запровадити кокс, необхідно було зробити ще ряд удосконалень доменної печі (змі­нити систему подачі повітря й підвищити тиск дуття), що було завершено аж у середині XIX ст.

А тим часом шотландець Джеймс Нельсон у 1828 p. отримав патент на застосування гарячого повітря у доменній печі, яке нагрівалось поза піччю кам'яним вугіллям. Гаряче повітря під­вищувало температуру в доменній печі й заощаджувало значну кількість дорогого коксу.

У 1857 р. англійський інженер Едуард Альфред Каупер (1819-1898) запропонував іншу конструкцію повітронагрівача, який опалювався не вугіллям, а дешевим доменним газом.

Починаючи з другої половини XIX ст. у металургії сталі зроблено цілу низку визначних винаходів. Одним з них став спосіб отримання сталі внаслідок продування повітрям рідкого чавуну. Патент на згаданий винахід був виданий в 1855 р. анг­лійцю Генрі Бессемеру (1813-1898). Бессемер отримував один фунт стерлінгів як авторську винагороду за кожну тонну сталі, виплавлену за його методом.

У 1861 р. німецьким винахідникам братам Вільгельму Сімен-су (1823-1883) і Фрідріху Сіменсу (1826-1901) видали англій­ський патент на регенеративну піч. Однак спроба використати цю піч для виплавлення високоякісної сталі в тиглях закінчи­лась невдало — разом з металом розплавлялись і тиглі.

Невдачею закінчилась також спроба французів — сина П'єра Мартена (1825-1915) і батька Еміля Мартена (1794-1871) отримати сталь у спеціально сконструйованій Фрідріхом Сіменсом регенеративній печі, оскільки рідка сталь проникала в щі­лини футерівки і руйнувала її. Заслуга Мартенів — у заміні цегляної футерівки набивною з піску. У 1864 р. така піч дала першу сталь. Мартени того ж року отримали на запропоновану піч французький патент. У печі виплавляли високоякісну сталь із чавуну й металобрухту.

У 1878 р. англієць Сідні Джількріст Томас (1850-1885) взяв патент на отримання сталі з високофосфористих чавунів у кон­вертері з основною футерівкою. Результатами цього винаходу одразу ж скористалась Німеччина, на території якої були значні запаси залізної руди з високим вмістом фосфору. Так завдяки винаходу Томаса Німеччина дуже швидко випередила Англію у виробництві сталі.

У 1900 р. француз Поль-Луї Еру (1863-1914) започаткував спосіб виплавлення високоякісної сталі в дуговій електропечі.

В 1933 р. український інженер Микола Мозговий (1901-1959) запропонував застосувати кисень у конвертерах, щоб підвищити їх продуктив­ність й здешевити виробництво сталі. Однак зроблені в СРСР спроби втілити у виробництво ідею Мозгового позитивних ре­зультатів не дали. Лише пізніше — у 1952-1953 pp. на двох металургійних заводах Австрії, розташованих у Лінці та Дона-віці, почали виробляти сталь, продуваючи рідкий чавун кис­нем (Л-Д процес). Цей спосіб сьогодні витіснив бессемерівський та томасівський способи, ставши найпоширенішим у світі.

У 1953 р. вчені Інституту електрозварювання (м. Київ) — Борис Медовар (1916-2000) та Борис Патон запропонували но­вий спосіб отримання високоякісних сплавів (у т.ч. сталей), ві­домий під назвою електрошлаковий переплав. Його перевага у тому, що дрібні краплі розплавленого металу, проходячи крізь шлак, очищуються ним від шкідливих домішок.

Не можна оминути увагою електролізний спосіб виробницт­ва алюмінію з глинозему, запатентований незалежно у 1886 р. французом Полем-Луї Еру і американцем Чарльзом Холлом у своїх країнах.

Водночас з розробкою нових технологій виробництва вугле­цевих сталей проводились інтенсивні наукові пошуки одержан­ня легованих сталей. Відзначився в цій справі відомий англійсь­кий фізик Майкл Фарадей (1791-1867).

Послідовником Фарадея став шотландець Роберт Мюшет, який створив інструментальну сталь, леговану 5 % вольфраму, а також марганцем, хромом і кремнієм. Ця сталь гартувалась навіть тоді, коли її охолоджували на повітрі.

У 1883 р. Роберт Гатфільд (1858-1923) запатентував високомарганцеву (> 12 % Мn) сталь, яка мала добру зносо­стійкість.

У 1900 р. американські дослідники Фредерік Тейлор (1854-1916) і Монсель Уайт на Всесвітній виставці в Парижі представили інструментальну сталь з вмістом 4% Сr і 18% W, чим започаткували впровадження в металообробку високостійких інструментальних матеріалів, відомих як швидкорізальні сталі.

Невпинне розширення асортименту конструкційних матеріа­лів, зокрема сталей, вимагало серйозних металознавчих дослід­жень. Вперше сталь як сплав заліза й вуглецю розглядав 1799 р. французький вчений Гютон де Морво. А у 1802 р. Девід Мюшет (батько згаданого вище Роберта Мюшета) вважав, що сталь містить 0,8...2,0 % С, а чавун — 4,0...6,0 % С. Пізніше ці межі вмісту вуглецю у сталях та чавунах були уточнені.

У 1824 р. німецький вчений Карл Карстен (1782-1853) за­значав, що вуглець у залізовуглецевих сплавах може бути в чистому вигляді (графіт), у хімічній сполуці (карбід) та у зв'яза­ному вигляді (за сучасними поняттями — у твердому розчині).

Російський інженер Дмитро Чернов (1839-1921) з'ясовував причини частих руйнувань гармат, досліджуючи механічні влас­тивості їх матеріалу, охолодженого від різних температур. Зав­дяки таким дослідженням йому в 1868 р. вдалося відкрити кри­тичні температури, не встановивши їх числових значень, через підсутність на той час необхідних вимірювальних приладів.

Лише пізніше у 1886 р. француз Флоріс Осмонд (1849-1912), в розпорядженні якого був термоелектричний пірометр, визна­чив критичні температури, відкриті Черновим.

Перші спроби дослідити й сфотографувати під мікроскопом травлені шліфи зробили в 1878 р. англійський металознавець Генрі Кліфтон Сорбі (1826-1908) та німецький — Адольф Мар­тене (1850-1910).

Англійський металург Вільям РобертсАустен (1843-1902) методом термічного аналізу дослідив 16 сплавів заліза з вугле­цем і побудував у 1897 р. ще не повну, але вже близьку до сучасної, діаграму залізо-вуглець.

Від найдавніших часів для виготовлення металевих виробів різного призначення широко застосовували лиття і обробку ти­ском.

Ливарне виробництво було відоме ще в V тис. до н.е., а по­шт бронзи дала поштовх для його подальшого розвитку. Перші ливарні вироби, знайдені на території України, датують­ся кінцем IV тис. до н.е. В XV-XIII ст. до н.е. в Північному Причорномор'ї відливали сокири, а починаючи з XII ст. в Русі лили дзвони. Новий імпульс для розвитку ливарного вироб­ництва дало винайдення у XV ст. пороху та пов'язане з цим виготовленням гармат і великої кількості ядер до них. Чавунні ядра відливали в металевих формах.

Одним з перших способів обробки металів тиском було ку­вання. Згодом виникли такі види обробки тиском, як волочін­ня (ХІІ-ХШ ст., Німеччина), вальцювання (XII-XIV ст.), об'ємне штампування (1819 р.) і пресування (1894 p.). Вальцювальний стан, який приводила в дію парова машина, виготовили в Анг­лії 1779 р. У 1840 р. у Франції виготовили паровий молот, розроблений англійцем Джеймсом Несмітом (1808-1892).

На зміну ковальському зварюванню й заклепковим з'єднан­ням прийшло дугове зварювання. Пріоритет у цій справі нале­жав українському інженерові грецького походження Миколі Бенардосу (1842-1905), який розробив спосіб дугового зварюван­ня неплавким електродом. Невдовзі після цього російський ін­женер Микола Слав'янов (1854-1897) удосконалив метод Бенардоса, замінивши вугільний електрод металевим.

У 1907 р. шведський інженер Оскар Кельберг (1870-1931) для стабілізації зварювальної дуги й захисту розплавленого металу від атмосфери запропонував покривати металеві елект­роди спеціальними речовинами.

Американський інженер Александер запровадив зварюван­ня непокритим металевим електродом у захисних газах (1928 рік).

У 1940 р. в Інституті електрозварювання під керівництвом академіка Євгена Патона (1870-1953) розроблено і запрова­джено у виробництво дугове зварювання під флюсом. У 1949 р. цей інститут запропонував електрошлакове зварювання.

У 1877 р. американський професор Еліхю Томсон (1853-1927) вперше виконав контактне електричне зварювання.

Металеві вироби, виготовлені литтям або обробкою тиском, часто вимагали подальшої обробки на металорізальних верста­тах. Опис перших металообробних верстатів знаходимо в книж­ках Леонардо да Вінчі (1452-1519) (Італія) і Ганса Гетца (Німеч­чина). Близько 1500 р. Гетц описує свердління гарматних дул, а Леонардо да Вінчі подає конструкцію токарного верстата з педальним приводом.

XVIII століття характеризується численними вдосконалення­ми металообробних верстатів і створенням нових способів оброб­ки. Варто згадати англійця Г. Моделі (1771-1831), який багато зробив у справі розвитку верстатобудування. Йому належать пріоритети в розробці супорта з механічною подачею, у ство­ренні свердлильного, розточувального, довбального, поперечно­стругального, зубостругального та фрезерних верстатів. Таким чином, у XIX ст. запроваджено основні способи обробки мета­лів різанням, а в XX ст. їх вдосконалювали й підвищували точність верстатів, виготовляли верстати-автомати. Спочатку автоматична обробка різанням була зорієнтована на масове ви­робництво. Та з появою верстатів з числовим програмним керу­ванням вона знаходить все більше застосування в дрібносерійному і навіть в одиничному виробництві.

Тема 2: Кристалічна будова металів та сплавів

1. Будова реальних кристалів.


Під атомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розта­шування атомів (іонів) у реальному кристалі. Залежно від будови (розташування атомів) тверді тіла поділяють на аморфні і кристалічні.









Рисунок 1.1. Схема розташування атомів металу у кристалографічній

площині (а) та в просторі кристалічної ґратки (б)

Аморфні тіла характеризуються хаотичним розташуванням атомів. То­му, зберігаючи постійну форму, вони не мають певних (критичних) температур плавлення та кристалізації. Залежно від зовнішніх умов їхні властивості змінюються поступово. Аморфний стан металів реалізується за умов інтенсивного охолодження під час кристалізації.

За звичайних умов тверднення метали у твердому стані мають кристалічну будову. Для кристалічного стану характерно, перш за все, певне закономірне розташування атомів у просторі. Кожен атом (іон) у кристалі оточений певною кількістю найближчих атомів (сусідів), розташованих на однаковій відстані від нього. Розглянемо схему розташування атомів (позитивно заряджених іонів) в одній площині. Уявні лінії, проведені через центри атомів, утворюють ґратку, у вузлах якої знаходяться атоми металу — так звану криста­лографічну площину (рис. 1.1, а). Багаторазове повторення таких площин у просторі, розташованих паралельно, відтворює просторову кристалічну ґратку (рис. 1.1, б). Взаємне розташування у просторі атомів реальних металів і відстань між ними визначають за допомо­гою рентгено-структурного аналізу. Розташування атомів у кристалі зручно зображувати у вигляді просторових схем — елементарних кристалічних комірок. Під цим розуміється найменший комплекс атомів, що дозволяє відтворити при багатократному повторенні прос­торову кристалічну ґратку (рис. 1.2).


2. Види кристалічних ґраток


Просторове розташування атомів у кристалічному тілі залежить від природи металу, характеру міжатомних зв'язків, температури, тиску. Прагнення атомів до найбільш щільного розміщення при­зводить до значної кількості комбінацій їхнього взаєморозташування. Серед промислових металів найпоширенішим є утворення трьох основних типів кристалічних ґраток: об'ємноцентрованої кубічної (ОЦК), гранецентрованої кубічної (ГЦК) і гексагональної щільного пакування (ГЩП).

У об'ємноцентрованій кубічній ґратці (рис. 1.2, а) атоми розташо­вані у вершинах куба і один атом у центрі куба. Таку кристалічну ґратку мають Р, К, Na, Li, Ti_p, Zr_p, Та, W, V, Fe_a, Cr, Nb, Ва та інші метали.

У гранецентрованій кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані (рис. 1.2, б). Кристалічну ґратку такого типу мають: Са_а, Се, Sr_a, Th, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ir, Fe_r Cu, Ca_a та інші метали.

Гексагональну гратку щільного пакування мають Mg, Ti_a, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co, Be, Ca та інші метали. Атоми у ГЩП-гратці розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми та три атоми — у середній площині призми (рис. 1.2, в).


3. Дефекти кристалічної будови металів

Реальні полікристалічні метали завжди мають недосконалості (де­фекти) кристалічної будови. Характер і ступінь порушення доскона­лості кристалічної будови значною мірою визначають властивості металів. Недосконалості будови кристалічної ґратки за геометрич­ними ознаками поділяють на:

• 
  точкові (нульвимірні);
• 
  лінійні (одновимірні);
• 
  поверхневі (двовимірні).

До точкових дефектів (невеликі розміри у трьох вимірах) відно­сять вакансії, міжвузлові та домішкові атоми.

Вакансія — це вузли кристалічної ґратки, в яких атоми відсутні (рис. 1.4, а). На вільне місце у гратці може переміщуватись інший атом, лишаючи нове вакантне місце. Це сприяє дифузії та само­дифузії металу. Кількість вакансій за кімнатної температури порів­няно із загальною кількістю атомів незначна (приблизно одна вакансія на 10 атомів), але дуже зростає при підвищенні темпера­тури. Так, при температурі, що майже дорівнює температурі плавлен­ня, одна вакансія припадає вже на 10⁴ атомів металу.

Міжвузлові атоми — це атоми, що вийшли з вузла кристалічної ґратки і зайняли місце у міжвузлях (рис. 1.4, б).





Рисунок 1.4. Точкові дефекти у кристалічній гратці: а – між вузлові атоми; б – вакансії


Домішкові атоми — це атоми іншого елемента, які розташовують­ся у вузлах або міжвузлях кристалічної ґратки металу (сплаву).

Точковий дефект розглядають як центр стиснення або розши­рення у пружному середовищі, що зумовлює викривлення біля нього кристалічної ґратки (рис. 1.5). Точкові дефекти можуть взаємодіяти між собою, утворюючи пари або комплекси різних недосконалостей.

До лінійних дефектів відносять такі, що мають невеликі розміри у двох вимірах і значну протяжність у третьому. Це може бути низка вакансій або міжвузлових атомів. Особливим і найважливішим видом лінійної недосконалості є крайові і гвинтові дислокації (рис. 1.6).



К райова дислокація — це локалізоване викривлення кристалічної ґратки внаслідок присутності в ній "зайвої" напівплощини (екстра-площини). Край цієї площини утворює дефект ґратки — лінійну (крайову) дислокацію, біля якої виникають пружні викривлення ґратки і відбувається зміщення атомів відносно їх нормальних поло­жень при невеликому дотичному напруженні. У цьому випадку екстраплощина шляхом незначного зміщення перейде у повну площину кристалу, а функції екстраплощини будуть передані сусідній площині.

Рисунок 1.5 Викривлення кристалічної гратки біля вакансії (а),

дислокованого (б) і домішкового (в) атомів


Якщо екстраплощина знаходиться у верхній частині кристала, то дислокацію називають позитивною і позначають ±, а якщо у нижній — то негативною і позначають т. Ця відмінність між ними дуже умовна, і якщо перевертати кристал, то позитивна дислокація змінюється на негативну і навпаки. Дислокації однаково­го знаку відштовхуються, а різного — притягуються. Зближення дислокацій з різним знаком призводить до їхнього взаємознищення.

Порушення порядку розташування атомів може призвести до утворення іншого виду дефекту — гвинтової дислокації (див. рис. 1.6, а, б). У цьому випадку кристал можна уявити як такий, що складається з однієї атомної площини, закрученої у вигляді гвинтової поверхні. На відміну від крайової гвинтова дислокація паралельна до вектора зсуву. Розрізняють: • правосторонні (за рухом годинникової стрілки) і • лівосторонні (проти руху стрілки годинника) гвинтові дислокації.

Нагадаємо, що навколо дислокації утворюється зона викривлення кристалічної ґратки. Енергію викривлення ґратки характеризує так званий вектор Бюргерса, з величиною якого пов'язують здатність дислокації до переміщення.





Рисунок 1.6.Схеми крайової (а) та гвинтової (б) дислокацій

у кристалічній гратці металу




Важливе значення має характеристика кількості дислокацій — гус­тина дислокацій. Це сумарна довжина дислокацій, що ви­ражається у сантиметрах на одиницю об'єму (V, см³ ), тобто р = L/V, см ^-2. У реальних кристалах металів вона становить ~ 10 ......10⁸ см^-2 дислокацій. Рухливість їх висока і вони здатні до розмно­ження під дією зовнішніх зусиль, прикладених до металу. За значної пластичної деформації густина дислокацій зростає до 10¹⁰ ...10¹² см ^-2. Густина дислокацій та їхнє розташування значною мірою впливають на властивості металів.

Реальний металевий кристал містить не лише атомно-кристалічні дефекти (вакансії, дислокації), а й структурні недосконалості (блоки, фрагменти, субзерна).

Поверхневі дефекти незначні за розмірами лише в одному вимі­рюванні — це поверхні розділу між окремими зернами або субзер­нами у полікристалічному металі (рис. 1.7). Полікристал складається з великої кількості зерен, кристалічні ґратки яких розорієнтовані (за кристалографічними напрямками) на кути до кількох десятків градусів. Тому границі між зернами називають великокутовими. Кож­не зерно складається з окремих фрагментів — субзерен, розорієнто-ваних один від одного на один або кілька градусів. Границі між ними називають молокутовими. Субзерна у свою чергу складаються не­мовби з мозаїки окремих блоків розміром 1000...100 000 А, криста­лографічні площини яких розорієнтовані на невеликий кут — менше 1⁰.

Така триступінчаста структура не є обов'язковою. Зерна можуть складатись також з фрагментів без внутрішньої блочної структури або лише з блоків. Границі зерен являють собою перехідну зону зав­ширшки до 3...4 міжатомних відстаней, у якій гратка одного кристала переходить у гратку іншого, що має іншу кристалічну орієнтацію. Границі зерен і блоків мають порушення закономірності розташуван­ня атомів, скупчення дислокацій та домішкових атомів, мають підвищену хімічну активність.

До об'ємних дефектів відносять скупчення точкових дефектів, що утворюють пори, а також вкраплення іншої фази.




Рисунок 1.7. Схеми різної орієнтації у полікристалічному металі (а)

та субзеренної (блочної) структури металу (б)

4. Поліморфізм та анізотропність металів


Залежно від температури і тиску деякі метали можуть змінювати будову (тип) кристалічної ґратки, тобто існувати у різних криста­лічних формах — поліморфних модифікаціях.





Рисунок 1.2. Елементарні кристалічні комірки металів: а - ОЦК, б – ГЦК, в - ГЩП


Поліморфну модифі­кацію, стійку при найнижчій температурі, позначають літерою α, при більш високій — δ, далі — γ тощо. Перехід від однієї модифікації до іншої називають поліморфним перетворенням. Кожна з модифікацій має свій температурний інтервал існування. За умов рівноваги поліморфне перетворення відбувається при постійній температурі і супроводжується виділенням тепла, якщо перетворення йде при охо­лодженні, або поглинанням тепла — в разі нагрівання. Для реалізації поліморфного перетворення, як і при кристалізації з рідкої фази, потрібне деяке переохолодження (або перегрів) відносно рівноважної температури. Механізм поліморфного перетворення подібний до кристалізації, що здійснюється шляхом утворення зародків нової фази та їхнього наступного зростання.

Відомі поліморфні перетворення для таких металів: Fe, Ti_, Mn_, Sn_, Ca, Li, Те, Na, Cs, Sr, Zn, РЗМ-металів тощо.

Внаслідок поліморфного перетворення утворюються нові криста­лічні зерна іншої форми та розміру. Тому таке перетворення нази­вають перекристалізацією. При цьому властивості металів і сплавів змінюються стрибкоподібно.

Елементарна комірка — це найменша кількість (комплекс) атомів, яка при багаторазовому повторенні у просторі дозволяє побудувати просторову кристалічну ґратку певної системи.

Відрізки дорівнюють відстаням до найближчих атомів (іонів) по координатних осях у тривимірному просторі, позначають їх літерами а, в, с.

Кути між цими відрізками позначають а, р, у. Співвідношення відрізків і кутів визначає форму комірки.

Період або параметр гратки дорівнює довжині ребра комірки у напрямі головних осей

кристалічної гратки. Параметри гратки вимі­рюють у нанометрах (нм), ангстремах (А).

Координаційне число (К) характеризує щільність пакування гратки, визначає кількість найближчих і рівновіддалених атомів у певній кристалічній гратці. Координаційне число простої кубічної гратки позначають К6 (літера вказує на тип гратки, цифра — на кількість

Сукупності аналогічних площин позначають цифрами у фігурних дужках, наприклад {100}. При позначенні напрямків використовують прямокутні дужки, наприклад [100].

Із спостережень за розташуванням атомів у різних площинах кристалічної ґратки видно, що насиченість цих площин атомами неоднакова. Також різні й відстані між атомами та сили міжатомного зв'язку. Так, в ОЦК-гратці площині (100) належить лише один атом [(1/4) х 4],





Рисунок 1.3. Індекси кристалографічних площин (а-в) і напрямків (г)

в об’ємноцентрованій кубічній гратці (ОЦК)


площині (110) — два: один вносять атоми, що знаходяться у вершинах [(1/4) х 4], і один — атом у центрі куба. У ГЦК-гратці найщільніше атоми розташовуються у площині (111), а в ОЦК-гратці — у площині (110).

Це зумовлює різний рівень фізико-механічних властивостей окремих кристалів (монокристалів) у різних площинах і напрямках кристалічної ґратки — так звану анізотропію. Це характерна особ­ливість кристалічного тіла на відміну від аморфних з неупорядкованою насиченістю атомами у різних напрямках, тобто ізотропних.

Реальні технічні метали є полікристалами, тобто складаються зі значної кількості по-різному орієнтованих у просторі анізотропних кристалів (зерен). Тому властивості таких полікристалів у всіх на­прямках усереднюються і практично не відрізняються. Проте такі технологічні операції, як кування, прокатування, штампування, мо­жуть створювати певну переважаючу орієнтацію зерен і призвести до анізотропії полікристалічного металу.

Тема 3 : Загальна класифікація властивостей металів