Материаловедение Металлы – это вещества, которые имеют

Материаловедение

Металлы – это вещества, которые имеют в твердом состоянии кристаллическую решетку и коллективизиро- ванные электроны. Среди всех известных элементов, металлов - подавляющее большинство - 76. Такие элементы как Si, Ge , As , Se , Te относят к полупроводникам (их свойства находятся между свойствами металлов и неметаллов). Металлы делятся на простые и переходные. Простые – металлы с полностью заполненными или полностью незаполненными электронами d- и f- оболочки. Пример. Переходные – металлы, где электронные уровни заполнены непоследовательно. Пример.

Металлы обладают рядом характерных свойств: - высокой тепло- и электропроводностью; - положительным температурным коэффициентом электро-сопротивления; - термоэлектронной эмиссией; - хорошей отражательной способностью; - повышенной способностью к пластической деформации. Атомы металла легко расстаются со своими валентными электронами. Ионизационный потенциал у металлов низок (4… 9 эв), у неметаллов - более высокий (10 эв и выше). Ионизационный потенциал полупроводников С, Si, Ge, Аs, Sе, Те, -Sn занимает промежуточные значения (8… 10 эв).

Металл можно рассматривать как коллектив положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов. Взаимодействие между положительными ионами и коллективизированными электронами – основа металлической связи. Она не имеет направленного характера. Ионы сохраняют постоянное положение и образуют пространственную решетку кристалла. Электроны металла не фиксированы в определенных местах. Они заполняют все промежутки между ионами. Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие твердое кристаллическое тело. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме называется элементарной кристаллической решеткой.

Кристаллические пространственные решетки делят на 7 систем - сингоний , исходя из соотношения между осевыми единицами и углами. Стороны параллеле- пипеда обозначаются через вектора a , b и с, которые называются параметрами кристаллической решетки, и углы , и . В результате получаются 14 типов кристаллических решеток, которые называются решетками Браве.

Сингония Соотн. Углы между Возможные типы кристалл. м/у осями решеток Кубичес- a = b = c = = = 90 o Примитивн. , ОЦК, ГЦК кая Гексаго- a = b c = = 90 o Примитивная нальная = 120 o Тетраго- a = b c = = = 90 o Примитивная и ОЦК нальная Ромбоэд- a = b = c = = 90 o Примитивная рическая Ромби- a b c = = = 90 o Примитивная, базоцентри- ческая рованная, ОЦК и ГЦК Моно- a b c = = 90 o Примитивная, клинная 90 o базоцентрированная Триклин- a b c 90 o Примитивная

Металлы образуют кристаллические решетки: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК), гексагональную (ГП). Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом , т. е. числом ближайших соседних атомов, окружающих данный атом. Чем выше к. ч. - тем больше плотность упаковки атомов. В ОЦК решетке - наименьшее расстояние d = 0, 5 a 3. На этом расстоянии находятся 8 атомов. К = 8. Коэффициент заполнения - 0, 68. В ГЦК решетке - наименьшее расстояние d = 0, 5 a 2. К = 12. Коэффициент заполнения - 0, 74. В ГП решетке - наибольшая плотность атомов при с/a=1, 633. К = 12. Коэффициент заполнения - 0, 74.

Для обозначения плоскостей пространственной решетки кристалла используют индексы Миллера. Порядок определения индексов для данной плоскости: 1. Найти точки пересечения данной плоскости со всеми тремя осями координат в кристалле. 2. Взять обратную величину от найденных чисел. 3. Привести индексы к наименьшим целочисленным значениям, сохраняя при этом их соотношение. 4. Заключить индексы в круглые скобки (hkl). Для обозначения плоскостей ГП решетки пользуются индексами Миллера-Браве (hkil), где i= - (h+k). Кристаллографические направления обозначаются индексами [ u v w ], где u v w - простые числа, пропорциональны координатам выбранного узла вдоль осей X Y Z, который лежит на прямой, проходящей через начало координат, выраженных в осевых единицах. Примеры.

Наиболее плотноупакованными плоскостями для ОЦК решетки является (110), для ГЦК (111) и для ГП решетки (0001). Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях многие физические и механические свойства зависят от направления вырезки образцов. Подобная неодинаковость свойств по различным кристаллографическим направлениям называется анизотропией. Пример. Для монокристалла чистой С u (ГЦК) предел прочности в направлении [100] составляет 146 МН/м 2, а в направлении [110] - 350 МН/м 2. Преимущественная ориентировка кристаллографичес- ких плоскостей относительно какого-либо направления называется текстурой.

ОЦК металлы - W, Mo, Cr, V, Ka, Na, Li, -Ti, -Fe, Ta и др.

ГЦК металлы - Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb, -Fe, Pd, Ir, Ce и др.

ГП металлы - Mg, Zn, -Ti, Cd, Be, -Zr, Os и др.

Методы определения твердости металла Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др. В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля) Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла. С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости НЕ. Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рисунке Стальной шарик крепится в оправке 2. Исследуемый образец ставится на предметный столик 1 и поднимается к шарику штурвалом 4. При включении мотора 5 грузы пресса 3 опускаются и вдавливают стальной шарик в образец. Для стали значение твердости, определенное этим методом, связано с пределом прочности соотношением, которым на практике иногда пользуются:

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла) Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полкой нагрузкой 60 или 150 кг. Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 25. Алмазный конус крепится в оправке 4. Образец устанавливается «на столик 3 и поднимается с помощью штурвала 2 до нагрузки 10 кг. Ручка 1 освобождает грузы6, которые создают усилие для вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т. е. значение твердости, отмечает индикатор 5. Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок. Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости. Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг. Обозначается твердость НRC. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) Метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (осн. часть склероскопа Шора), свободно и вертикально падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Среднее арифметическое результатов измерения принимается за твёрдость данного образца или изделия при условии, что разность между наибольшим и наименьшим значением результатов измерений не превышает 5 единиц. В случае отличия более чем на 5 единиц, испытание повторяют, удвоив количество измерений (отпечатков). Полученную твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы шкалы.

Измерение твердости по Виккерсу При измерении твердости и микротвердости по Виккерсу алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом а между противоположными гранями при вершине вдавливается в поверхность испытуемого образца под действием нагрузки (статической силы) F. Схема приложения нагрузки приведена рисунке 1. Нагрузку прикладывают перпендикулярно к поверхности испытуемого образца. После снятия нагрузки измеряют длины диагоналей отпечатка d 1 и d 2. Твердость по Виккерсу пропорциональна частному от Схема приложения деления нагрузки на площадь боковой поверхности нагрузки отпечатка. Площадь боковой поверхности рассчитывают по длинам диагоналей, допуская, что отпечаток имеет форму правильной пирамиды, имеющей в основании квадрат, и с углом при вершине, совпадающим с углом при вершине у наконечника.