3. Типы кристаллических решёток металлов. Аллотропия. Анизотерапия.

Металлы являются кристаллическими телами. Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченным расположением атомов в пространстве. Если соединить атомы воображаемыми линиями в 3-х направлениях, то получится пространственная кристаллическая решётка. Атомы, находясь в узлах кристаллической решётки, совершают тепловые колебания, относительно среднего положения. Со своими ближайшими атомами атомы связаны при помощи валентных электронов, которые могут перемещаться, образуя электронный газ.

Благодаря наличию электронного газа, металлы обладают высокой электропроводностью, т.к. даже небольшая разность потенциалов вызывает металле перемещение электронного газа, т.е. возникает ток.

При повышении температуры дополнительные тепловые колебания атомов затрудняют направленные движения электронов, что приводит к снижению электропроводности, т.е. повышается сопротивление.

R=1/G G-проводимость G=1/R

Металлы имеют кристаллические решётки различных типов:

1) объёмно-центрированная кубическая (8 атомов находятся в вершинах куба и 1 в центре). Такой тип решётки имеют: железо, ванадий, вольфрам, молибден, хром.

2) гранецентрированная кубическая (8 атомов в вершинах куба и в центре 6-ти граней). Такой тип решётки имеют: алюминий, медь, никель, свинец, серебро, купрум.

3) Гексагональная плотноупакованная шестигранная призма (атомы в вершинах и центрах шестиугольников основания и 3 атома в вершинах правильного треугольника, посередине между основаниями).

В зависимости от температуры, в некоторых металлах кристаллическая решётка может перестраиваться. Это свойство называют аллотропией.

В кристаллической решётке по разным направлениям и в плоскостях плотность и расположение атомов неодинаковы.

В объемно-центрированной кристаллической решётке в грани 4 атома, по диагонали 5. В связи с этим, некоторые свойства кристалла зависят от направления.

Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Она проявляется в пределах одного кристалла.

реальные металлы - тела поликристаллические, т.е. в 1 см³ десятки тысяч кристаллов, которые расположены произвольно друг к другу, поэтому недостатком каких-либо свойств в одних кристаллах компенсируется избытком этих свойств в других кристаллах, поэтому реальные металлы имеют одинаковые свойства по всем направлениям.

4. Механические свойства металлов.

1) прочность - свойство материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

2) Пластичность - способность материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил.

3) Упругость - способность материалов восстанавливать свою форму и объём после прекращения действия сил, которые вызывают это изменение.

4) Твёрдость - способность материалов сопротивляться проникновению в них других, более твердых тел.

5) Хрупкость - свойство материала разрушаться под действием резкого динамического усилия.

6) Вязкость - способность материала оказывать сопротивление динамическим, т.е. быстровозрастающим нагрузкам.

7) Усталость - разрушение материала под действием повторных или знакопеременных нагрузок (пружины, рессоры).

5. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки стали.

Термическая обработка заключается в нагревании и охлаждении сплава в области твёрдого состояния с целью получения структуры заданного физико-химического свойства.

Существуют следующие виды термической обработки:

1. Отжиг 2. Нормализация 3. Закалка 4. Отпуск

Основные параметры термической обработки: нагревание до определённой температуры, выдержка при заданной температуре и скорость охлаждения.

1) Отжиг - нагревают, выдерживают при определённой температуре, охлаждают с малой скоростью в камере печи при отключённом питании.

Цель отжига - получение равновесной структуры металла, из крупных зёрен получают мелкие, при этом снижается твёрдость, но повышается пластичность.

2) Нормализация - нагревают, выдерживают при заданной температуре, охлаждают на спокойном воздухе, т.е. с большей скоростью. При этом снижается внутреннее напряжение. улучшается обрабатываемость металорезанием и твёрдость получается выше, чем при отжиге.

3) Закалка - нагревают, выдерживают, охлаждают резко.

Цель закалки - повышение твёрдости и прочности. Снижается пластичность и ударная вязкость. При закалке верхние слои охлаждаются быстрее, чем сердцевина, поэтому они будут более прочными, чем сердцевина, т.е. остаётся внутренне напряжение. Для уменьшения внутреннего напряжения и повышения пластичности применяют отпуск.

4) Отпуск - нагрев, выдержка, охлаждение. Различают следующие виды отпуска: а) низкий б) средний в) высокий.

а) низкий отпуск - нагревают до 150-200⁰С. Подвергают: режущий инструмент, детали износостойкие.

б) средний отпуск - нагревают до 350-450⁰С. Детали упругие, имеют запас вязкости (рессоры, пружины).

в) высокий отпуск - нагревают до 500-650⁰С. Металл вязкий, прочный, пластичный. Детали для ответственного назначения, испытывающие ударные, знакопеременные нагрузки.

6. Химико-термическая обработка металлов и сплавов.

Химико-термическая обработка включает в себя химическое и термическое воздействие, с целью изменения структуры, состава и свойств поверхностного слоя металла. При ХТО происходит насыщение металлов соответствующим элементом в процессе его диффузии из жидкой, твёрдой или газовой среды при высокой температуре.

Различают следующие виды химико-термической обработки:

1) цементация - насыщение углеродом С

2) азотирование - насыщение азотом N

3) хромирование - насыщение хромом Cr

1) Цементация - нагревают сплав в атмосфере метана, при температуре 900⁰С, а затем проводят закалку с низким отпуском, и верхний слой приобретает износостойкую структуру. Цементации подвергают шестерёнки.

2) Азотирование - проводят диффузные насыщения поверхностного слоя азотом при температуре 500-600⁰С. Материал приобретает высокую твёрдость, износостойкость и коррозионную стойкость. Применяется пдля ответственных деталей (коленвалы, арматура).

3) Хромирование - диффузное насыщение поверхностного слоя хромом при температуре 900-1300⁰С. В результате материал получает высокую коррозионную и эрозионную стойкость, повышенную жаростойкость. Применяется для изделий бытовой техники, трансформаторной стали и т.п.

7. Проводники. Основные свойства проводников: электропроводность, электронный газ, температурный коэффициент удельного сопротивления и линейного расширения.

Проводник - это вещество, основным свойством которого является его электропроводность. Проводники применяются для изготовления проводов, кабелей, проводящих дорожек печатных плат, интегральных схем.

Все проводниковые материалы делятся на группы: 1) проводники с высокой проводимостью 2) проводники с высоким сопротивлением 3) проводники различного назначения.

По агрегатному состоянию: 1) твёрдые 2) жидкие 3) газообразные.

1) твёрдые - металлы, сплавы, модификация углерода.

2) жидкие - ртуть, вода, расплавленные металлы, электролиты.

3) газообразные - при низких напряжениях газы не проводят ток, а при больших внешних полях становятся проводниками за счёт ударной ионизации.

Основными свойствами проводниковых материалов являются: 1) удельная электропроводность g (или удельное сопротивление ⍴=1/g); 2) температурный коэффициент линейного расширения ⍴ -α_T; 3) температурный коэффициент линейного расширения α; 4) работа выхода.

1) Удельная проводимость g - количественная характеристика способности проводить ток.

g=1/⍴ ⍴=1/g

Сопротивление проводника R связано с удельным сопротивлением ⍴ следующей зависимостью:

⍴=(R*S)/L ,Ом*м ; R=⍴*L/S , где L - длина проводника, S - сечение.

2) Температурный коэффициент сопротивления α_T характеризует изменение сопротивления материала при изменении температуры. Этот коэффициент показывает во сколько раз изменяется ⍴ при изменении температуры на 1⁰С. Для меди зависимость между R и t выражается: R_t=R₀(1+α_T(t₁-t₀)), где R₀ - сопротивление при t₀, R_t - сопротивление при t₁.

3) Температурный коэффициент линейного расширения α_l характеризует изменение линейных размеров при изменении температуры. α_l показывает во сколько раз изменится линейный размер образца при изменении температуры на 1 градус. Его следует учитывать в случае совместной или сопряженной работы материалов: металл-стекло, металл-керамика. Чтобы не возникало напряжение на стыках, α_l контактирующих материалов должны быть примерно одинаковы. На этом свойстве основана работа биметаллических стержневых термометров.