Атомно-кристаллическое строение металлов. Виды к.р.

Атомно-кристаллическое строение металлов. Виды к.р.

В материаловедении принято рассматривать 3 уровня строения материалов: атом>молекула>фаза.

АТОМ –наименьшая частица хим. элемента обладающая его св-вами. Энергия атома может принимать лишь определённые или дискретные значения, которые называются уровнями энергии. Уровень соответствующей миним. энергии атома называют основным, остальные-возбуждённые. Совокупность уровней энергии образуют энергетический спектр атома. Большинство физических и химических св-в атома обусловлена структурой его внешних электронных связей или оболочек, в которых электроны связаны сравнительно слабо.

МОЛЕКУЛА – наименьшая частица в-ва обладающая хим. св-вами и состоящая из атомов соединённых хим. связями. Она нейтральна по заряду и как правило не имеет не спаренных или свободных электронов. Молекулярный слой возникает в результате присоединения к молекуле или отщепления от неё электронов. В состав молекул входит от двух до нескольких тысяч атомов (например:молекулы полимеров так называемые макромолекулы). Структура молекулы каждого в-ва не зависит от способа его получения. Состав молекулы характеризует брутто-формула (Н2О, СН4), которую устанавливают хим. анализом.

ФАЗА – это термодинамическое равновесное состояние в-ва, отличающееся по св-вам от других возможных равновесных состояний того же в-ва. Всякий однофазный материал характеризуется отсутствием внутренних поверхностей раздела, т.е. является гомогенным. Гетерогенный материал содержит 2 фазы. Фазовый переход – переход из одной фазы в другую при изменении внешних условий. При этом значение температуры давления, напряжённости электрических и магнитных полей или другой физической величины, при которой происходит фазовый переход называется точкой перехода.

Различают фазовые переходы 1-го и 2-го рода.

1-го рода– сопровождаются скачкообразным изменением термодинамических характеристик в-ва, при непрерывном изменении его внешних параметров. При этом в в-ве выделяется или поглощается определённое кол-во теплоты, называемой теплотой фазового перехода (например: испарения и конденсация, плавления и затвердевания).

2-ого рода– термодинамические функции в-ва не изменятся (непрерывны), а скачок испытывают производные этих функций по давлению и температуре. Теплота такого перехода равна 0.Например: переход материала из немагнитного состояния в магнитное, сопровождаемое появлением макроскопического магнитного момента

 

Свойства кристаллов.

Симметрия кристаллов – это когда кристалл может быть совмещён с самим собой путём поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Некоторые кристаллич. фазы являются метастабильными (т.е. относительно устойчивые). Отсюда свойство: полиморфизм – это св-во некоторых в-в существовать в нескольких кристаллич. модификациях с разной структурой, и наоборот разные св-ва могут иметь полное подобие атомного строения и внешние формы кристаллов; изоморфизм – это св-во различных, но родственных по хим. составу в-в кристаллизоваться в одинаковых структурах при одном типе хим. связи.

Feα – ниже 911oC}ОЦК

     выше 1392oC}ОЦК

Feγ – 911oC-1392oC}ГЦК

Рассматривая модель кристалл. решётки, видно, что плотность атомов в различных плоскостях не одинакова, поэтому св-ва отдельно взятого кристалла (физические, химические, механические) будут отличаться в различных направлениях. Такое различие называют анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Аморфные тела изотропны. Степень анизотропии может быть значительной, например при исследовании монокристаллов меди временное сопротивление изменяется σb=120…360 МПа, σ=10…56%.

Технические металлы являются поликристаллическими в-вами, состоящими из множества мелких различноориентированных кристаллов, поэтому их св-ва во всех направлениях усредняются, т.е. металлы и сплавы изотропны по св-вам.

 

Пружинные стали.

Поскольку возникновение пластической деформации в пружинах не допускается, то от материала подобных изделий не требуется высокой ударной вязкости и высокой пластичности. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300—400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение.

Пружины, рессоры и подобные им детали изготавливают из конструкционных сталей с повышенным содержанием углерода (но, как правило, все же более низким, чем у инструментальных сталей) — приблизительно в пределах 0,5-0,7 %С, часто с добавками марганца и кремния (для пружин малого сечения применяют углеродистые стали 65, 70,75, 85. Сталь 85 - s0.2=1100МПа, sв=1150МПа, d=8%, y=30%).

Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами.

Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800—850° С (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400—500° С. Иногда такой термической обработке подвергают детали конструкций большой длины и с тонкими стенками, которые должны обладать высокими пружинящими свойствами. В этом случае применяют сталь ЗОХГС.

Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали.

Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность и релаксационную стойкость применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Сталь 65С2ВА - s0.2=1700МПа, sв=1900МПа, d=5%, y=20%. Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А (поверхностные дефекты резко снижают долговечность изделий, поэтому срок службы увеличивается упрочнением или наклепом).

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, не склонная к перегреву и обезуглероживанию.

 

 

Термическая обработка стали

Термическая обработка (термообработка) — это технологический процесс изменения структуры сталей, сплавов и цветных металлов посредством широкого диапазона температур: поэтапных нагреваний и охлаждении с определенной скоростью. Такая обработка очень сильно изменяет свойства сталей, сплавов, металлов в сторону улучшения показателей, но при этом не изменяя их химический состав. Можно сказать, что основная цель термической обработки – это улучшение свойств и характеристик изделий из него.

Композиционные материалы.

Композиционные материалы- это материалы состоящие из двух или более компонентов объединенных различными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Характерные признаки КМ:

1. Состав и форма определены заранее.

2. Матер. состоит из двух и более компонентов различного хим. состава разделенных границей.

3. Свойство матер. определены каждым из его компонентов содержание которых достаточно большое.

4. КМ обладают свойствами отличными от свойств компонентов взятых в отдельности.

5. КМ однородны в макромасштабе и неоднородны в микромасштабе.

6. Такие материалы не встречаются в природе.

Классификация КМ:

1. По геометрии наполнителя:

А) Нуль-мерные (размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок)

Б) Одномерные наполнители- один из размеров значительно превосходит другие.

В) С двумерным наполнителем – два размера значительно превосходят третий

2. По схеме расположения наполнителя:

А) С одноосным или линейным расположением наполнителя в виде волокон, нитей расположенных параллельно друг другу в матрице.

Б) Двуосным или плоскостным.

В) Трехмерное или объемное расположение с отсутствием преимущественного направ. распределений.

3. По природе компонентов:

+А) Компоненты состоят из металлов или сплавов.

Б) Из неорганических карбидов, оксидов, нитридов.

В) Из неметаллических элементов (углерод, бор)

Г) Из органических соединений (смолы)

49. Пластмассы.

· материалы, полученные на основе природных или синтетических полимеров, способных под воздействием t-ры и давления формироваться в изделие сложной формы, а затем устойчиво сохранять форму.

Компоненты пластмасс:

· связующее вещество – служит для связки, сохранения других компонентов; применяют синтетические смолы; некоторые пластмассы состоят из одного связующего вещества (полиэтилен, оргстекло);

· наполнители – добавляют в кол-ве 40-70% с целью повышения мех. свойств, снижения стоимости изделия; часто служат порошково деревянная мука, графит, окись кремния, часто используют волокнистые материалы (хлопчатобумажные нити), иногда листовые материалы (бумага, ткань, шпон);

· пластификаторы – добавляются в кол-ве 10-20% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости; служат эфиры, полимеры с гибкими молекулами;

· отвердители – добавляют в кол-ве нескольких % для отвердвления термопластов; служат перекиси и спец.амины.

· спец. добавки – красители, ускорители, смазочные, отвердители, замедлители.

Пластмассы подразделяют на 2-е группы: термопласты (обратимые), термореактивы (необратимые).

Термопласты:

Полиэтилен: - продукт полимеризации этилена; высокие антикоррозионные и диэлектрические свойства; применяется ввиде труб плёнок и т.д., хороший изолятор.

Полистирол: - продукт полимеризации стирола; свойства как у полиэтилена; но имеет большую прочность и твёрдость; раковины, детали холодильников, прищепки.

Органическое стекло: - полимер с высокой светопрозрачностью, значительной прочностью, и малой плотностью; легко формуется, склеивается, сваривается, обрабатывается резанием; изготавливают стёкла часов, авто, самолётов, детали различных приборов.

Термореактивы:

Текстолит: - наполнителем служит хлопчатобумажная ткань; изготавливают подшипники, шестерни, прокладки, электропанели; высокая стойкость к вибрации, хороший диэлектрик.

+Гетинакс: - прессованные листы, состоящие из нескольких слоёв пропиточной и изоляционной бумаги, пропитанной специальными смолами; применения и свойства аналогичны текстолиту.

Стеклопластик: - содержит стекловолокнистый наполнитель и смолу; иногда вместо стекловолокна используют лавсан; применяют в судостроении, машиностроении, при изготовлении различных ёмкостей и облицовочных материалов.

Резина.

Резина – пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящейся в высокопластическом состоянии.

В резине связующим являются натуральные (НК) или синтетические (СК) каучуки.

Каучуку присуща высокая пластичность, обусловленная особенностью строения их молекул. Линейные и слаборазветвлённые молекулы каучуков имеют зигзагообразную или спиралевидную конфигурацию и отличаются большой гибкостью (рис. 3, верхний). Чистый каучук ползёт при комнатной температуре и особенно при повышенной, хорошо растворяется в органических растворителях. Такой каучук не может использоваться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучуке формируют редкосетчатую молекулярную структуру. Это осуществляют вулканизацией – путём введения в каучук химических веществ – вулканизаторов, образующих поперечные химические связи между звеньями макромолекул каучука (рис. 3, нижний). В зависимости от числа возникших при вулканизации поперечных связей получают резины различной твёрдости – мягкие, средней твёрдости, твёрдые.

Резины являются сложной смесью различных ингредиентов, каждый из которых выполняет определённую роль в формировании её свойств (рис. 6). Основу резины составляет каучук. Основным вулканизирующим веществом является сера.

Рис. 6 Компоненты, которые входят в состав резины

Вулканизирующие вещества (сера, оксиды цинка или магния) непосредственно участвуют в образовании поперечных связей между макромолекулами. Их содержание в резине может быть от 7 до 30 %.

Наполнители по воздействию на каучуки подразделяют на активные, которые повышают твёрдость и прочность резины и тем самым увеличивают её сопротивление к изнашиванию и инертные, которые вводят в состав резин в целях их удешевления.

Пластификаторы присутствия в составе резин (8 – 30%), облегчают их переработку, увеличивают эластичность и морозостойкость.

Противостарители замедляют процесс старения резин, препятствуют присоединению кислорода. Кислород способствует разрыву макромолекул каучука, что приводит к потере эластичности, хрупкости и появлению сетки трещин на поверхности.

Красители выполняют не только декоративные функции, но и задерживают световое старение, поглощая коротковолновую часть света. Наибольшее распространение получили сорта натурального каучука янтарного цвета и светлого тона.

Обычно приняты классификация и наименование каучуков синтетических по мономерам, использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные и т.п.), или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах (напр., полисульфидные, уретановые, кремнийорг), фторкаучуки.

Каучуки синтетические подразделяют также по другим признакам, например, по содержанию наполнителей – на ненаполненные и наполненные каучуки, по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме – на твердые, жидкие и порошкообразные.

Атомно-кристаллическое строение металлов. Виды к.р.

В материаловедении принято рассматривать 3 уровня строения материалов: атом>молекула>фаза.

АТОМ –наименьшая частица хим. элемента обладающая его св-вами. Энергия атома может принимать лишь определённые или дискретные значения, которые называются уровнями энергии. Уровень соответствующей миним. энергии атома называют основным, остальные-возбуждённые. Совокупность уровней энергии образуют энергетический спектр атома. Большинство физических и химических св-в атома обусловлена структурой его внешних электронных связей или оболочек, в которых электроны связаны сравнительно слабо.

МОЛЕКУЛА – наименьшая частица в-ва обладающая хим. св-вами и состоящая из атомов соединённых хим. связями. Она нейтральна по заряду и как правило не имеет не спаренных или свободных электронов. Молекулярный слой возникает в результате присоединения к молекуле или отщепления от неё электронов. В состав молекул входит от двух до нескольких тысяч атомов (например:молекулы полимеров так называемые макромолекулы). Структура молекулы каждого в-ва не зависит от способа его получения. Состав молекулы характеризует брутто-формула (Н2О, СН4), которую устанавливают хим. анализом.

ФАЗА – это термодинамическое равновесное состояние в-ва, отличающееся по св-вам от других возможных равновесных состояний того же в-ва. Всякий однофазный материал характеризуется отсутствием внутренних поверхностей раздела, т.е. является гомогенным. Гетерогенный материал содержит 2 фазы. Фазовый переход – переход из одной фазы в другую при изменении внешних условий. При этом значение температуры давления, напряжённости электрических и магнитных полей или другой физической величины, при которой происходит фазовый переход называется точкой перехода.

Различают фазовые переходы 1-го и 2-го рода.

1-го рода– сопровождаются скачкообразным изменением термодинамических характеристик в-ва, при непрерывном изменении его внешних параметров. При этом в в-ве выделяется или поглощается определённое кол-во теплоты, называемой теплотой фазового перехода (например: испарения и конденсация, плавления и затвердевания).

2-ого рода– термодинамические функции в-ва не изменятся (непрерывны), а скачок испытывают производные этих функций по давлению и температуре. Теплота такого перехода равна 0.Например: переход материала из немагнитного состояния в магнитное, сопровождаемое появлением макроскопического магнитного момента

 

Свойства кристаллов.

Симметрия кристаллов – это когда кристалл может быть совмещён с самим собой путём поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Некоторые кристаллич. фазы являются метастабильными (т.е. относительно устойчивые). Отсюда свойство: полиморфизм – это св-во некоторых в-в существовать в нескольких кристаллич. модификациях с разной структурой, и наоборот разные св-ва могут иметь полное подобие атомного строения и внешние формы кристаллов; изоморфизм – это св-во различных, но родственных по хим. составу в-в кристаллизоваться в одинаковых структурах при одном типе хим. связи.

Feα – ниже 911oC}ОЦК

     выше 1392oC}ОЦК

Feγ – 911oC-1392oC}ГЦК

Рассматривая модель кристалл. решётки, видно, что плотность атомов в различных плоскостях не одинакова, поэтому св-ва отдельно взятого кристалла (физические, химические, механические) будут отличаться в различных направлениях. Такое различие называют анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Аморфные тела изотропны. Степень анизотропии может быть значительной, например при исследовании монокристаллов меди временное сопротивление изменяется σb=120…360 МПа, σ=10…56%.

Технические металлы являются поликристаллическими в-вами, состоящими из множества мелких различноориентированных кристаллов, поэтому их св-ва во всех направлениях усредняются, т.е. металлы и сплавы изотропны по св-вам.