Введение в металловедение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Металловедение-наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных.

Впервые существование связи между строением стали и ее свойствами было установлено П.П. Аносовым (1799-1851 гг.).

Важнейшие положения научного металловедения были заложены русским металлургом Д.К. Черновым (1839-1921 гг.). Д.К. Чернов в работе, опубликованной в 1868 г., показал, что в стали в твердом состоянии при ее нагреве (или охлаждении) до., определенных температур (впоследствии названных критическими точками) происходят фазовые превращения, вызывающие значительные изменения свойств стали. В 1876 г. им были изложены основы современной теории кристаллизации металлов. Эти и последующие работы Д.К. Чернова создали фундамент современного металловедения и термической обработки стали.

В начале XX в. большую роль в развитии металловедения сыграли работы Н. С Курнакова, применившего для исследования металлов методы физико-химического анализа (электрический, дилатометрический, магнитный и др.).

Широкое использование рентгеновского анализа, предпринятое с начала 20-х г., позволило установить кристаллическое строение металлических фаз и изучить изменения его в зависимости от обработки сплава. Эти важные исследования провели М. Лауэ и П. Дебай (Германия), Г.В. Вульф (СССР), У. Г Брэгг и У.Л. Брэгг (Англия), А. Вестгрен, В. Фрагмен (Швеция) и др.

Начиная с 1928-1930 гг. большое внимание уделяется, теории фазовых превращений в сплавах. В числе работ, выполненных в этом направлении, следует отметить исследования Э. Бэйна и Р. Мейла (США) и Велера (Германия).

Развитие металловедения неразрывно связано с работами советских ученых. После Великой Октябрьской революции, особенно в период индустриализации страны, были образованы многочисленные исследовательские лаборатории на заводах и втузах, а также был создан ряд специализированных исследовательских институтов, в которых развернулась широкая работа в области металловедения и термической обработки металлов. Большой вклад в развитие металловедения и технологии термической обработки внесли С.С. Штейнберг, Н.А. Минкевич, Г.В. Курдюм, А. М, Бочвар, А.А. Бочвар, С.Т. Кишкин, В.Д. Садовский, А.П. Гуляев и их школы.

1. Металлы и сплавы на их основе

Все металлы и сплавы принято делить на две группы

Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы - цветными (табл. I)¹.

Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90% всех конструкционных и инструментальных материалов. По сравнению с цветными металлами стоимость железа и его сплавов невелика (см, стр. 437). Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью (менее 3 г/см³); легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.), с температурой плавления выше, чем у железа (1539°С); благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью; урановые металлы (U, Th, Ра) - актиноиды, используемые в атомной технике; редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные с ними итрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам²; щелочноземельные металлы (Li,~Nu, К), используемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

2. Общая характеристика металлов

Из известных в настоящее время 106 элементов 76 являются металлами, В табл. 1 приведена Периодическая система элементов Д. И, Менделеева, в правой части которой жирной чертой отделены неметаллические элементы.

Металлы в твердом и, отчасти, в жидком состояниях обладают рядом характерных свойств:

1) высокой тепло- и электропроводностью;

2) положительным температурным коэффициентом электросопротивления; с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов (- 30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);

3) термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью, испускать электроны при нагреве;

4) хорошей отражательной способностью: металлы, непрозрачны и обладают металлическим блеском;

5) повышенной способностью к пластической деформации.

Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое

состояние вещества,

Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10 ^-1 - -10 ^-5 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов.

Вследствие условий кристаллизации они имеют неправильную форму и называются кристаллитами или зернами.

Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь внешних электронов с атомом характеризуется работой выхода электронов (или ионизацинным потенциалом), т.е. работой, необходимой для удаления электронов из изолированного атома.

Если для металлов ионизационный потенциал составляет 4-9 эВ, то у неметаллов величина его, как правило, превышает 10 эВ при однократной ионизации (т.е. при отрыве одного электрона). Ионизационный потенциал промежуточных элементов (Si, As, Se и др.) составляет 8-10 эВ. Эти данные показывают, что внешние электроны слабо связаны с ядром и поэтому они находятся в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ.

Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, когда при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются между положительно заряженными и периодически расположенными ионами.

Устойчивость металла, представляющего собой, таким образом, ионно - электронную систему, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными. электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами и не имеет резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

металл сплав термический

3. Технология их термической обработки

В металлах и сплавах при технологических нагревах и специальной термической обработке могут протекать самые различные внутренние процессы, приводящие к изменению как микроструктуры в делом (морфологии и числа фаз, размера зерен и др.), так и картины распределения дефектов атомно - кристаллической природы. Для того чтобы разобраться в закономерностях всех этих изменений, происходящих, как правило, в направлении установления более равновесного состояния металлической системы, используют положения статистической термодинамики и физической кинетики. На их основе разрабатываются методы управления структурой металлов и сплавов с тем, чтобы последние могли приобрести в процессе термообработки комплекс необходимых механических, химических или физических свойств, являющихся структурно-чувствительными характеристиками.

Металлы и металлические сплавы представляют собой термодинамические системы, которые могут пребывать в любом агрегатном состоянии (жидком, твердом, газообразном или комбинированном). В общем случае такие системы содержат различные компоненты (химические вещества), которые образуют фазы - гомогенные составные части с однородными свойствами.

Любая система макроскопических размеров, т.е. состоящая из большого числа микрочастиц (атомов, молекул и т.д.), может быть описана набором термодинамических функций состояния. К числу важнейших функций состояния относятся внутренняя энергия U, свободная энергия F и энтропия S. В условиях, когда объем и температура термодинамической системы постоянны, между этими характеристиками существует простая математическая связь:

F=U - TS,

где Т - абсолютная температура, К.

Из выражения (1 - l) следует, что свободная энергия F представляет собой часть внутренней энергии, которая может быть определена как сумма кинетической и потенциальной энергии частиц. Энергия F называется свободной в том смысле, что при изотермических процессах она может быть выделена из системы в виде тепла и превращена в работу. Произведение TS называют энтропийным фактором, или связанной энергией; она может изменяться только вместе с температурой. Эта энергия существует в термодинамической системе также в виде тепла (кинетической энергии частиц) и потенциальной энергии частиц, зависящей от конфигурации их взаимного расположения.

Свободная энергия F и энтропия S являются критериями равновесия термодинамической системы. При достижении равновесия свободная энергия имеет минимальное, а энтропия - максимальное значение (из всех возможных при заданных условиях). Однако в качестве критерия равновесия свободная энергия более универсальна, поскольку при низких температурах энтропия обычно мала и ее можно не учитывать. Вследствие малой величины энтропийного фактора TS при низких температурах свободная энергия термодинамической системы в этих условиях будет тем ниже, чем меньше ее внутренняя энергия U. Равновесие в таких случаях достигается созданием в системе максимального порядка (закономерное расположение атомов в кристаллах), которому отвечает предельно низкое значение U, а следовательно, и F.

Список литературы

металл сплав термический

1. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. Изд. «Металлургия», 1986 г. - CD-RW

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. (Методы анализа, лабораторные работы и задачи) М, Металлургия., 1983 г. - CD-RW

3. Под редакцией В.Г. Сорокина; М.А. Гервасьева. Стали и сплавы. Марочник.М, «ИНТЕРМЕТ- ИНЖИНИРИНГ»; 2001.

4.Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение.М, «Машиностроение», 1980. CD-RW

5.Ю.В. Клюжев, С.С.Јубакирова, Ќ.Б. Баќтыбаев. Материалтану.Оќу ќўралы. «Фолиант» баспасы, 2007.

6. Д.Ў. Смаєїлов. «Металлография». «Баспа», 2007 ж

Размещено на Allbest.ru