Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов.

1. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения.

2. Понятие об изотропии и анизотропии.

3. Аллотропия или полиморфные превращения.

4. Магнитные превращения.

Материаловедение – это наука о взаимосвязи электронного строения, струк­туры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важ­нейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фунда­мент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рацио­нально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легиро­ванных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

В 1873-1876 гг. Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в ча­стности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения прак­тических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обяза­тельно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.

Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.

В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, ис­пользуют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называ­ются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовер­шенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полез­ное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металли­ческих материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных ус­ловиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования спла­вов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической де­формации.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, раз­вития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущест­венно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание мате­риалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремаль­ных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения слу­жит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конст­рукционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость.

Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20.. .40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-З раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10... 15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стой­костью и большим безремонтным ресурсом.

Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области ис­пользования новых материалов взамен традиционных (металлических) - пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных мате­риалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производ­ство материалов, уменьшает массу изделий.

Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового ав­томобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными во­локнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.