Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение icon

Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение


Скачать 441.74 Kb.
НазваниеМатериаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение
страница1/8
Размер441.74 Kb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4   5   6   7   8


Министерство Российской федерации по делам

гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации

последствий стихийных бедствий


Уральский институт Государственной Противопожарной службы


Б.Н. Гузанов

Н.Б. Пугачева


Материаловедение и технология материалов

Часть II. Материаловедение





Екатеринбург

2007 г.

Министерство Российской федерации по делам

гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации

последствий стихийных бедствий


Уральский институт Государственной Противопожарной службы


Б.Н. Гузанов

Н.Б. Пугачева


^ Материаловедение и технология материалов


Методические указания к выполнению практических работ для курсантов 2 курса очного обучения инженерного факультета


^ Часть II. Материаловедение


Екатеринбург

2007 г.

Материаловедение и технология материалов. Методические указания к выполнению практических работ для курсантов 2 курса очного обучения инженерного факультета. Часть II. Материаловедение – Екатеринбург: изд-во УрИ ГПС МЧС РФ, 2007. – 153 с.


Составители:

профессор, докт. техн. наук Б.Н. Гузанов,

доцент, канд. техн. наук Н.Б. Пугачева.


Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой курса «Материаловедение и технология материалов». В них приведены темы практических работ, даны краткие теоретические положения, изложен порядок их выполнения и отчетности.


Одобрено на заседании кафедры общетехнических дисциплин.


Методические указания обсуждены и одобрены на заседании Методического совета УрИ ГПС МЧС РФ и рекомендованы к печати.




 Уральский институт ГПС МЧС РФ, 2007 г.

ВВЕДЕНИЕ


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕМ называют науку, изучающую взаимосвязь между составом, строением и свойствами металлов, сплавов и других конструкционных материалов, а также закономерности их изменения при различных физико-химических, механических и других взаимодействиях.

Выполнение практических работ по материаловедению при изучении курса «Технология конструкционных материалов и материаловедение» позволят приобрести практические навыки в области кристаллографии, моделирования структурных и фазовых превращений по диаграммам состояния двойных сплавов, а также оценить влияние этих факторов на формирование требуемых эксплуатационных свойств.

Данные методические указания содержат задания для шести практических работ по теоретическому и практическому материаловедению, решение которых позволит закрепить и расширить знания о строении и свойствах чистых металлов и металлических сплавов, о механических испытаниях материалов и способах определения стандартных характеристик механических свойств; сформировать умения определять фазовый состав и интегральную твердость сплавов по диаграмме «железо-углерод», назначать режим термической обработки материалов; усвоить правила маркировки сталей и сплавов.

В методических указаниях приведены варианты заданий, требования к содержанию отчета и список литературы, необходимой для выполнения практических работ. Пример оформления титульного листа для отчета показан в методических указаниях к первой части курса.

СОДЕРЖАНИЕ


Практическая работа №7. Атомно-кристаллическое строение металлов………..6

Практическая работа №8. Определение стандартных характеристик механических свойств материалов по диаграмме деформации……………………………34

Практическая работа №9. Диаграммы состояния двойных сплавов……………57

Практическая работа №10. Диаграмма состояния железо-углерод……………..83

Практическая работа №11. Технология термической обработки стали……….108

Практическая работа №12. Классификация и правила маркировки металлических сплавов……………………………………………………………………….150

^ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №7


Тема: «Атомно-кристаллическое строение металлов»

Цель: изучить закономерное расположение атомов в различных типах пространственных решеток и определить некоторые свойства присущих им кристаллических структур

Задачи:

  • научиться определять индексы плоскостей и направлений, изображать их на чертежах;

  • освоить методику расчета плотности кристаллических веществ.


^ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ


В природе твердые вещества могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. В аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, произвольно. Для кристаллических веществ, к которым относят металлы и их сплавы, в твердом состоянии характерно упорядоченное взаимное расположение в пространстве атомов (ионов). В твердом состоянии металл представляет собой постройку, состоящую из закономерно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Межатомная металлическая связь осуществляется электростатическими силами взаимодействия между ионами и электронами.

В дальнейшем при описании атомно-кристаллического строения металлов мы будем использовать только один термин «атом». Атомы располагаются на таком расстоянии друг то друга, при котором энергия взаимодействия минимальна. Это расстояние соответствует значению а0 (рис. 1), причем сближение атомов на расстояние меньше а0 или удаление их на расстояние, больше а0, осуществимо только при совершении определенной работы против сил отталкивания и притяжения.

Таким образом, в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов. Для описания атомно–кристаллической структуры используют понятие пространственной или кристаллической решетки.

^ Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы, образующие твердое кристаллическое тело.

В кристаллическом теле наблюдаются как ближний, так и дальний порядки расположения атомов, т.е. частицы размещаются в пространстве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристалл, причем порядок расположения атомов в кристалле периодически повторяется в трех измерениях.



Рис. 1 Схема энергии взаимодействия двух атомов в зависимости

от межатомного расстояния


Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называются узлами кристаллической решетки. Пример такой решетки представлен на рис. 2.




Рис. 2 Схематическое изображение кристаллической решетки


Наименьшим структурным образованием кристаллической решетки является элементарная ячейка, контур которой представляет собой некое составленное из атомов геометрическое тело.

^ Элементарная ячейка – параллелепипед, построенный на узлах кристаллической решетки и представляющий собой минимальный объем, отражающий все особенности кристаллического вещества, параллельные переносы (трансляции) которого в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку (рис. 3).




Рис. 3 Элементарная ячейка кристаллической решетки и ее параметры:

a, b, c – элементарные трансляции соответственно по осям X, Y, Z,

α – угол лежащий против оси X,

β – угол лежащий против оси Y,

γ – угол лежащий против оси Z


Каждому кристаллическому веществу, находящемуся в твердом состоянии при заданных термодинамических условиях, соответствует конкретное кристаллическое строение, с определенной симметрией внешней формы кристаллов.

Все пространственные решетки в зависимости от симметрии с учетом соотношения этих величин делят на семь систем – сингоний, исходя из соотношения между осевыми единицами и углами (решетки Браве).

Тогда семь кристаллографических систем соответствуют следующим формам ячеек (см. приложение):

  1. триклинная: a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 900;

  2. моноклинная: a ≠ b ≠ c; α = γ = 900; β ≠ 900;

  3. ромбическая: a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 900;

  4. гексагональная: a = b ≠ c; α = β = 900; γ=1200;

  5. ромбоэдрическая: a = b = c; α = β = γ ≠ 900;

  6. тетрагональная: a = b ≠ c; α = β = γ = 900;

  7. кубическая: a = b = c; α = β = γ = 900.

Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ).

На рис. 4 приведены указанные кристаллические решетки и схемы расположения или упаковки атомов, дающие более наглядное представление о каждой из структур.





Рис. 4 Типы кристаллических решеток:

а – объемноцентрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая;

в – гексагональная плотноупакованная


В схемах упаковки атомы изображены сферами такой величины, что они касаются друг друга. Из этого, естественно, не следует делать вывод, что эти сферы представляют собой несжимаемые объемы, поскольку очень малые по размерам ядра атома окружены электронными оболочками сравнительно невысокой плотности.

Как видно из рис. 4 а, в кубической объемноцентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом – в центре объема куба. Кубическую объемноцентрированную решетку имеют К, Na, Li, Tiα, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb и др.

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани (рис.4 б). Этот тип решетки имеют металлы: Feγ, Cu, Coα, Ni, Ag, Au, Pd, Pt и др.

В гексагональной плотноупакованной решетке (рис.4в) атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы: Hfα, Mg, Tiα, Cd, Zn, Coβ, Zrα и др.

для однозначной характеристики кристаллической решетки необходимо знать не только соотношение величин трех ребер (a, b и c) и трех углов между ними (α, β и γ), но и такие ее параметры как атомный диаметр, радиус и период, число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку (Z), координатное число (К), коэффициент компактности (η).

^ Периодами решетки называют расстояния a, b и c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке (см. рис. 3). Период решетки измеряется в нанометрах (1 нм = 10 – 9 см или ангстремах 1 А = 10‾ 8 см) для большинства металлов периоды решеток находятся в пределах 0,1…0,7 нм. Расстояние между двумя ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку называют межплоскостным расстоянием и обозначаются как a0 (см. рис. 2).

Атомным радиусом называют половину наименьшего расстояния между центрами атомов, лежащих в двух ближайших параллельных плоскостях. Атомный радиус (r) возрастает при уменьшении координационного числа, так как при этом увеличивается пространство между атомами.

^ Число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку (Z). На одну элементарную ячейку объемноцентрированной решетки куба приходится два атома. Один из них находится в центре куба, а другой складывается из атомов, располагающихся в вершинах куба (каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам, и, таким образом, на каждую ячейку приходится лишь 1/8 массы этого атома, а на всю ячейку 1/8·8 = 1 атом).

На элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки приходится четыре атома: из них один образуется за счет атомов в вершинах куба (1/8·8), а три – суммарная доля атомов, находящихся в серединах граней, так как каждый из этих атомов принадлежит двум сопряженным ячейкам (1/2·6=3).

На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится шесть атомов: 3+1/6·12+1/2·2 = 6.

^ Координационное число (К) – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от произвольно выбранного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Для ОЦК металлов координационное число равно 8 и обозначается (К8), для ГЦК и ГПУ металлов координационное число равно 12 (К12), что соответствует наибольшей плотности упаковки или укладки атомов, если принять, что атомы являются твердыми, недеформируемыми шарами.

^ Коэффициент компактности (η) – также является еще одной характеристикой плотности упаковки атомов в кристаллических структурах и в общем случае он равен отношению объема, занятого атомами Vат, к общему объему кристалла Vобщ:

К=

Через атомный радиус, объем занятый атомами в элементарной ячейке, можно выразить следующим образом:

Vат = n π r 3, где

n – число атомов в объеме кристалла; r – атомный радиус.

Поскольку атомный радиус равен половине кратчайшего расстояния между центрами атомов, для простой кубической решетки его можно выразить через период решетки следующим образом:

r = a0

Подставив значение r в выражения для Vат и η получаем:



Таким образом, в простой кубической решетке атомы занимают только 52% от общего объема кристалла.

Аналогичным образом можно подсчитать коэффициенты компактности для других кристаллических структур.


Кристаллографические обозначения атомных плоскостей и направлений


Наличие в одной и той же кристаллической структуре нескольких типов атомных плоскостей и атомных рядов требует специальных приемов их обозначения. В основу обозначения атомных рядов и плоскостей положена их ориентация относительно системы координатных осей XYZ.

В кристаллографии обычно пользуются системами координат, оси которых направлены вдоль ребер элементарной ячейки кристаллической решетки. За единицу измерения вдоль каждой оси принимается период решетки, то есть длина ребер элементарной ячейки.

Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы. Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями, например, являются его ребра, пространственные диагонали или диагонали граней (рис, 5,а).




Рис. 5 Основные кристаллографические направления (а)

и плоскости (б, в, г) в ОЦК – решетке


Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, в которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональные плоскости (рис. 5 б, в, г).

Для обозначения или задания направления (ряда) или плоскости в кристаллах всех сингоний используются так называемые индексы Миллера.


Индексами Миллера для атомного ряда (направления) являются три целых взаимно простых числа u, v, w, соотносящихся следующим образом:

u : v: w = х/а : у/b : z /с

где х, у, z – координаты атома, лежащего на описываемом направлении при условии, что оно проходит через начало координат.

Для того, чтобы определить индексы направления необходимо:

  1. задать систему координат таким образом, чтобы направление, индексы которого необходимо определить, проходило через начало координат;

  2. следует определить координаты любого атома, лежащего на индексируемом направлении (рис.6).



Рис. 6 Схема определения индексов направления


Искомые координаты имеют следующие значения: х = 4а; у = 2b; z = 6с, откуда следует, что

u : v : w = 4: 2: 6, сокращаем и получаем 2 : 1 : 3.

Полученные три взаимно простых числа, заключенные в квадратные скобки и являются индексами данного направления и всех направлений, параллельных ему [2 1 3]. Индексы не разделяются запятыми. Если индекс отрицательный, то знак минус ставится над его значением.

Основные направления в кубической решетке приведены на рис.6 а. Индексы осей решетки 0X – [100], 0Y – [010] и 0Z – [001]. Индексы пространственной диагонали [111].

Индексами Миллера для плоскости являются три наименьших целых безразмерных числа h, k, l, соотносящихся следующим образом:

h : k : l = (1/m)a : (1/ n)b : (1/p)с

где m, n, p – отрезки, отсекаемые искомой плоскостью на осях координат, т.е. индексы кристаллографической плоскости обратно пропорциональны этим отрезкам.

Это определение можно прокомментировать на примере «непрозрачной» плоскости на рис.7. При этом следует обратить внимание, каким графическим приемом обозначена плоскость и ее ориентация относительно системы координат на указанном рисунке. Это осуществляется путем изображения прямых линий – следов пересечения плоскости с координатными плоскостями:

XY. XZ, YZ.



Рис. 7 Определение индексов Миллера для плоскости.


Из рисунка 8 видно, что плоскость отсекает от осей координат следующие отрезки: m = 4a, n = 4b, p = 6c, откуда следует, что

h : k : l = .

Следуя определению, приведенному выше, нельзя отождествлять дробные числа в правой части пропорции с индексами Миллера, так как последние должны быть тройкой наименьших целых чисел. Если каждую дробь умножить на число, являющееся наименьшим общим кратным для знаменателей всех трех дробей, то получатся как раз три наименьших целых числа. В рассматриваемом примере наименьшим общим кратными для знаменателей 4, 4, 6 является число 12. Умножив на него три дроби в правой части пропорции, получим:

h : k : l = 3 : 3 : 2.

Отсюда можно заключить, что индексы Миллера для плоскости h = 3, k =3, l =2.

Индексы Миллера для конкретной плоскости заключаются в круглые скобки и не разделяются запятыми. Если индекс отрицательный, знак минус ставится над ним. Таким образом, «непрозрачная» плоскость на рис. 7 может быть обозначена как (332).

Определим индексы «прозрачной» плоскости на том же рисунке, которая параллельна «непрозрачной». «Прозрачная» плоскость отсекает от осей координат отрезки m = 6a, n = 6b, p = 9c. Отсюда h : k : l = 1/6 : 1/6 : 1/9

Наименьшим общим кратным для знаменателей дробей в правой части полученной пропорции является число 18, поэтому

h : k : l = 3 : 3 : 2.

Следовательно, «прозрачная» плоскость, параллельная «непрозрачной», имеет те же индексы Миллера (332). В более широком смысле этот вывод звучит так: параллельные кристаллические плоскости имеют одинаковые индексы Миллера.

Если плоскость параллельна оси координат, то точка их пересечения находится в бесконечности. Обратное значение отрезка, отсекаемого от оси, равно 1/∞ = 0, т.е. индекс плоскости по этой оси равен 0.

На рис. 5 б, в, г показаны основные атомные плоскости в кубической решетке.

  1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconМатериаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение
Методические указания к выполнению практических работ для курсантов 2 курса очного обучения инженерного факультета
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconУчебно-методическое пособие по изучению дисциплины "Материаловедение. Технология конструкционных материалов" и выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения
Материаловедение. Технология конструкционных материалов” и выполнению контрольных работ
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconГоу впо «уральский институт государственной противопожарной службы»
Материаловедение и технология материалов. Методические указания к выполнению практических работ для курсантов 2 курса очного обучения...
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconСпециальность 240100. 62 «Химическая технология и биотехнология» Дисциплина – «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» де основы строения и свойства материалов.
Задание Дефект, представляющий собой искажение кристаллической решетки вдоль края лишней полуплоскости, называется…
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconЭкзаменационные вопросы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»
Кристаллическое строение материалов. Элементарная кристаллическая ячейка. Типы кристаллических решеток
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconМатериаловедение. Ткм. Механические свойства строительных материалов
Классификация сырьевых материалов для производства керамических изделий. 10. Основы технологии производства керамических изделий
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconВопросы к зачёту (промежуточная аттестация) по дисциплине «Зуботехническое материаловедение с курсом охраны труда и техники безопасности»
Перечислите наименование основных материалов, типичных представителей, область применения
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconКонтроль текущих знаний студентов специальности 060203 Стоматология ортопедическая по дисциплинеЗуботехническое материаловедение с курсом охраны труда и техники безопасности для самообследования Курс – 1
В основной заготовочной комнате лаборатории одновременно могут работать не более
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconМатериаловедение. Ткани из химических волокон
Впервые искусственные волокна были получены в конце XIX в хотя попытки их получения были намного раньше. Например, стеклянные нити...
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconChanges in materials technology
Поскольку технология любого возраста основана на материалах эпохи, эпохи новых материалов будет иметь огромное влияние на инженерное...
Материаловедение и технология материалов Часть II. Материаловедение iconПрограмма учебной дисциплины "Химическая технология"
Он имеет целью сформировать основы технологического мышления, раскрыть взаимосвязи между развитием химической науки и химической...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы