Știința materialelor este o știință care studiază structura și proprietățile materialelor și stabilește o legătură între compoziția, structura și proprietățile lor. În cadrul materialelor este necesar să se înțeleagă atât metalele, cât și compușii nemetalici.
Știința "metalurgie" - ca parte a științei materialelor a apărut la mijlocul secolului al XIX-lea. Pentru prima dată, o legătură între structura și proprietățile metalelor a fost stabilită de PP Anosov (1799-1855), care a folosit un microscop pentru a studia oțelul. metalurgie mai târziu (1863) microscop pentru a studia structura metalelor utilizate Sorbie (Anglia) .Cu toate acestea fundații științifice au fost stabilite restante metalurgist Rusă D.K.Chernovym (1839-1921gg.), care, în lucrarea sa a fost numit părintele literaturii metallogra-grafie .
Continuarea lucrărilor lui DK Chernov. au fost cercetările lui NV Gutovski, NP Chizhevsky, R. Austin și mai târziu AM Bochvar. GV Kurdyumov. N.S. Kurnakova și colab.
Progresele în fizica forței și plasticității din ultimii ani au făcut posibilă transferul metalurgiei fizice la un nivel calitativ nou și au oferit progrese fără precedent în dezvoltarea materialelor structurale și de scule în diferite domenii ale tehnologiei.
STRUCTURA ATOMIC-CRISTALINĂ A METALELOR
1.1. Clasificarea metalelor
Prin metale înțelegem un anumit grup de elemente situate în partea stângă a tabelului periodic al lui DI Mendeleyev. În tehnologie, metalul este înțeles ca substanțe care au un "strălucire metalică", într-o oarecare măsură inerentă tuturor metalelor și plasticitate. Din acest motiv, metalele pot fi deosebite cu ușurință de nemetale, de exemplu lemn, piatră, sticlă sau porțelan.
Particularitatea structurii substanțelor metalice constă în faptul că toate acestea sunt construite în principal din astfel de atomi, în care electronii externi sunt ușor legați de nucleu. Aceasta determină, de asemenea, natura specifică a interacțiunii chimice a atomilor de metal și a proprietăților metalice. Electronii au o sarcină negativă și este suficient să se creeze o diferență nesemnificativă în potențiale, astfel încât mișcarea electronilor de-a lungul direcției către un pol încărcat pozitiv începe, creând un curent electric. De aceea metalele sunt conductori buni ai curentului electric și nemetalici sau nu. Legătura slabă dintre electronii externi și nucleul determină proprietățile chimice și fizice ale metalelor.
Datorită caracteristicilor de mai sus, metalele și aliajele lor au următoarea structură atomică-cristalină. Ionii încărcați pozitiv sunt localizați în anumite locuri ale rețelei cristaline, iar electronii liberi externi creează în interiorul metalului, ca un lichid care curge ușor sau un gaz de electroni care se mișcă în mod aleatoriu în toate direcțiile. În anumite condiții, de exemplu, atunci când se creează disparități potențiale, mișcarea electronilor devine o anumită direcție și apare un curent electric.
Teoria metalei de stat tratează un metal ca o substanță constând din ioni încărcați pozitiv, înconjurați de particule încărcate negativ - electroni care sunt slab legați de nucleu. Acești electroni se mișcă continuu în interiorul metalului și aparțin nu unui atom, ci întregului set de atomi.
Astfel, o caracteristică caracteristică a structurii atomice cristaline a metalelor este prezența unui gaz electron în interiorul unui metal, legat slab de ionii încărcați pozitiv. Mișcarea ușoară a acestor electroni în interiorul metalului și legătura lor mică cu atomii determină prezența anumitor proprietăți metalice în metale (conductivitate electrică și termică ridicată, luciu metalic, plasticitate etc.)
Toate metalele pot fi împărțite în două grupe mari - metale feroase și neferoase.
Metalele feroase sunt de culoare închisă de culoare închisă, cu densitate mare (cu excepția pământului alcalin). un punct de topire ridicat, și în multe cazuri au polimorfism. Cel mai tipic metal al acestui grup este fierul.
Metalele neferoase au de multe ori o colorare caracteristică: roșu, galben, alb. Acestea au o mare plasticitate, duritate scăzută, un punct de topire relativ scăzut, sunt caracterizate de absența polimorfismului. Cel mai tipic metal din acest grup este cuprul.
Toate metalele - pot fi împărțite după cum urmează:
1. Metale de fier - fier, cobalt, nichel și un mangan aproape de ele. Cobaltul, nichelul și manganul sunt adesea folosite ca aditivi la aliajele de fier, precum și ca bază pentru aliajele corespunzătoare, similare în proprietățile oțelurilor de înaltă aliere.
2. Metalele refractare (tungsten), al căror punct de topire este mai mare decât cel al fierului (adică 1539 ° C), se utilizează ca aditivi la oțelurile aliate și, de asemenea, ca bază pentru aliajele corespunzătoare.
3. Metale pământurilor rare (RMZ) - lantan, ceriu, neodimiu, praseo Dim etc numit lantanidelor joinable și similare acestora în proprietăți, ytriu și scandiu ..
4. Metalele alcalino-pământoase (litiu, potasiu, sodiu etc.) în stare metalică liberă nu se aplică, cu excepția cazurilor speciale.
Metalele neferoase sunt subdivizate:
1. Metale ușoare - beriliu, magneziu, aluminiu, care au o densitate scăzută.
2. Metale nobile - argint, aur, metale din grupa de platină.
3. Metale - zinc fusibile, cadmiu, mercur, staniu, plumb, bismut, taliu, antimoniu și elemente cu slab metal Propr tvam - galiu, germaniu.
1.2 Structura cristalină a metalelor
Orice substanță poate fi în trei stări agregate - solide, lichide și gazoase.
Solidul sub influența gravitației își păstrează forma, iar lichidul se răspândește și ia forma unui vas. Cu toate acestea, această definiție nu este suficientă pentru a caracteriza starea unei substanțe. Tranziția de la solid la lichid și de la lichid la stare solidă (precum și de la gaze la lichid) are loc la o anumită temperatură și este însoțită de o schimbare bruscă a proprietăților.
Care este diferența dintre stările gazoase, lichide și cele solide?
În gaze, nu există nici o regularitate în aranjarea particulelor (atomi, molecule), particulele se mișcă în mod aleatoriu, se resping reciproc și gazul încearcă să ocupe un volum cât mai mare posibil.
În corpurile solide, ordinea dispunerii atomilor este definită, legă-dimensională, forțele de atracție și repulsie reciprocă sunt echilibrate, iar corpul solid își păstrează forma.
Într-un lichid, particulele (atomi, molecule) rețin doar așa-numita ordine cu rază scurtă, adică în spațiu, atomii cei mai numerosi sunt localizați în mod natural, și nu atomi ai întregului volum, ca și în corpurile solide. Comanda cu rază scurtă este instabilă: apoi apare, apoi dispare sub acțiunea vibrațiilor termice. Astfel, starea lichidă este, ca atare, intermediară între solidă și gazoasă; în condiții adecvate, este posibilă o tranziție directă de la starea solidă la gaze fără topire-sublimare.
Aranjamentul corect, regulat al particulelor (atomi, molecule) în spațiu caracterizează starea cristalină. Structura cristalului poate fi imaginată sub forma unei lattice spațiale în care sunt localizați atomii.
Grilele metalice cu cristale
Starea cristalină este în primul rând caracterizată printr-un aranjament definit, regulat de atomi în spațiu.
Acest lucru se datorează faptului că într-un cristal fiecare atom are același număr de atomi apropiați - vecini aflați la aceeași distanță de el. Dorința atomilor (ionilor) metalului de a se stabili mai aproape, mai densă, conduce la faptul că numărul de combinații de aranjament reciproc al atomilor de metal din cristale nu este mare.
Aranjamentul atomilor într-un cristal este foarte convenabil pentru a fi prezentat sub forma schemelor spațiale, sub forma unor așa-numite celule de cristal. O celulă de cristal elementar este cel mai mic complex de atomi, care, atunci când este repetată în spațiu, permite reproducerea unei rețele zonale de cristal.
Cel mai simplu tip de celulă de cristal este o latură cubică. Într-o rețea simplă cubică, atomii sunt (împachetați) nu suficient de dense (Fig.1.1, a).
atomii de metal aspiration ocupă locul cel mai apropiat unul de altul, duce la formarea de matrici de alte tipuri: cubică cu volum, fata centrata cubic si hexagonal ambalate aproape-(Fig.1.1).
Într-o latură cubică centrată pe corp (BCC), atomii sunt localizați în colțurile cubului și un atom aflat în centrul volumului cubului. Cele fețe centrate rețea cubică (fcc) atomii sunt aranjate într-un colț de cub și centrul fiecărei fețe, în atomii cu zăbrele hexagonale sunt situate la colțuri și centrul bazei prisme hexagonale și trei atomi în plan secundar prismă.
Reteaua cubica are urmatoarele metale: Na, Li, W, V, Cr etc. Reteaua cubica fcc este Pb, Ni, Ag, Au, Cu etc.
Dimensiunile rețelei de cristal se caracterizează prin parametri sau
perioadele de zăbrele. Gridul cubic definește un parametru - lungimea marginii cubului. Parametrii au magnitudine de ordinul dimensiunilor atomice și sunt măsurate în angstromuri. De exemplu, parametrul de latură al cromului având structura unui cub centrat pe corp este de 2,878 A, iar parametrul lattice al aluminiului având o structură cubă centrat pe față este de 4,041 A.
Dimensiunile laturii hexagonale închise se caracterizează printr-o valoare constantă c / a = 1.633. Pentru alte valori ale lui c / a, se obține o latură hexagonală închisă.
Unele metale au o latură tetragonală; se caracterizează prin faptul că mărimea marginii "c" nu este egală cu dimensiunea marginii "a". Raportul dintre acești parametri caracterizează așa-numitul grad de tetragonalitate. Numărul de atomi la cea mai apropiată distanță de un atom dat este numit numărul de coordonare. De exemplu, un atom dintr-o latură simplă cubică are șase vecini apropiați echidistanti, adică numărul de coordonare al acestei rețele este 6 (Figura 1.2).
Atomul central al latticei centrate pe corp are opt vecini apropiați echidistanti; numărul de coordonare al acestei lattice este 8. Numărul de coordonare pentru o latură centrat pe față este 12. În cazul unei grătare hexagonale închise, numărul de coordonare este 12.
1.4 Structura reală a cristalelor metalice
Cristalele metalice au de obicei dimensiuni reduse. Prin urmare, un produs metalic constă dintr-un număr foarte mare de cristale. O structură similară se numește policristalină. Cristalele cu formă neregulată într-un agregat policristalin sunt numite boabe sau cristale.
Diferența dintre boabele individuale constă în orientări spațiale diferite și cea mai mică distanță de un anumit atom pentru diferite laturi.
1.5 Orientări ale rețelei de cristal.
În cazul general, orientarea laturii cristaline în grăunțe este aleatorie, cu orice grad de probabilitate, orice orientare a acesteia în spațiu poate să apară.
Cu o îndepărtare foarte redusă a căldurii în timpul cristalizării și, de asemenea, cu ajutorul altor metode speciale, se poate obține o bucată de metal, care este un cristal unic, numită un singur cristal. Natura și gradul de încălcare a corectitudinii sau perfecțiunii structurii cristaline determină într-o mare măsură proprietățile metalelor. Prin urmare, este necesar să se ia în considerare imperfecțiunile apărute ale structurii cristaline sau aceeași structură a cristalelor reale.
Unul dintre tipurile de imperfecțiuni din structura cristalină este prezența locurilor neocupate în locurile din zăcământul cristal, adică vacanțele sau găurile atomice (Fig.1.3). Un astfel de defect de latură "punct" joacă un rol important în cursul proceselor de difuzie în metale.
Numărul de posturi vacante la temperatura camerei este foarte mic în comparație cu numărul total de atomi (aproximativ 1 post vacant la 10 18 atomi), ușor în creștere cu creșterea temperaturii, în special în apropierea punctului de topire (1 post vacant per 10 4 atomi).
Un alt tip important de imperfecțiune a structurii cristaline este așa-numitele dislocări (figura 1.4). Să ne imaginăm că în Latticea de cristal, din anumite motive, a apărut o jumătate de densitate de atomi, așa-numitul extra-plan. Marginea unui astfel de plan formează un defect liniar (imperfecțiunea) rețelei, care se numește dislocare de margine. Dislocarea de margine se poate extinde în lungime la multe mii de parametri de zăbrele, poate fi dreaptă, dar se poate extinde și în ambele direcții. În limită, se poate roti în spirală, formând o dislocare cu șurub. O zonă de distorsiune elastică a rețelei se ridică în jurul dislocării. Distanța de la centru, defectul la locul grilajului fără distorsiune, se presupune a fi egal cu lățimea dislocării, este mic și egal cu mai multe distanțe atomice.
În acest fel. corectitudinea structurii cristalului este perturbată de două tipuri de defecte - punct (vacant) și liniare (dislocări). Locurile de muncă se deplasează continuu în rețea, când atomul învecinat din ea intră într-o "gaură", lăsând vechiul loc gol. Creșterea temperaturii, mobilitatea termică a atomilor crește numărul acestor acte și mărește numărul de posturi vacante.
Defectele liniare nu se mișcă spontan și în mod aleatoriu, ca vacanțe. Cu toate acestea, este necesară o tensiune suficient de mică pentru a deplasa dislocarea, formând un plan, iar în secțiune - linia de alunecare C.
Proprietățile unui singur cristal (singur cristal) într-o anumită direcție diferă de proprietățile din cealaltă direcție și, în mod firesc, depind de numărul de atomi întâlniți în această direcție. Diferența în proprietăți, în funcție de direcția testului, se numește anizotropie. Toate cristalele sunt anizotropi. Anizotropia este o caracteristică a oricărui cristal, caracteristic unei structuri cristaline.
Articole similare
-
Tema № 1 Structura atomică-cristalină a metalelor Clasificarea metalelor
-
Îndepărtarea (îndepărtarea) vechii vopsele din corpul metalic, mijloacele și metodele
Trimiteți-le prietenilor: