Тема 1 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Дата 17.11. 2020

Преподаватель Левицкая О.И

Профессия 18494 Слесарь по КИП и А 19861 «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования» (первичная подготовка)

ОП 06 Материаловедение

Задание:

1. Изучите и проработайте теоретические сведения темы.

2 Просмотрите видеоматериалы по теме занятия:

1) https://yandex.ua/video/preview/?filmId=16422787561961147940&from=tabbar&parent-reqid=1595074092867985-811418056816125348253677-production-app-host-sas-web-yp-40&text=строение+и+свойства+материалов+материаловедение

https://yandex.ua/video/preview/?filmId=13622241464722745806&from=tabbar&parent-reqid=1595074092867985-811418056816125348253677-production-app-host-sas-web-yp-40&text=строение+и+свойства+материалов+материаловедение

3) https://yandex.ua/video/preview/?filmId=769504649708126647&from=tabbar&parent-reqid=1595074092867985-811418056816125348253677-production-app-host-sas-web-yp-40&text=строение+и+свойства+материалов+материаловедение

3 Приведите ответы на контрольные вопросы. Выполнение задания присылать на электронный адрес в ВК: https://vk.com/id280227342

Занятие 1

Тема 1 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Цели:

- ознакомиться с кристаллическим строением металлов, типами кристаллических решеток;

- рассмотреть и изучить виды и методы измерений, средства измерений и их характеристики;

Задачи:

- иметь общее представление о строении и свойствах металлов;

- научиться применять требования нормативных документов к основным видам продукции и процессов.

План

1 Кристаллическое строение металлов.

2 Типы кристаллических решеток.

3 Дефекты кристаллических решеток.

4 Свойства металлов

1. Вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение. В идеальном кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга, в аморфных же (стекле, канифоли) атомы расположены беспорядочно.

Металлы в твердом состоянии являются телами, состоящими из огромного количества мелких, видимых только в микроскоп зерен - кристаллитов. В свою очередь, эти зерна состоят из атомов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Располагаясь в пространстве, ближайшие друг к другу атомы образуют контур какого-либо геометрического тела, например куба (рис.1.1), то есть каждое зерно металла состоит из множества таких одинаково ориентированных геометрических тел, называемых элементарными ячейками.

Находясь в узлах кристаллической решетки, атомы колеблются относительно своего среднего положения с частотой около 10 Гц, не покидая своих мест.

Атом любого металла состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его несущих отрицательный заряд нескольких электронных оболочек. На последней оболочке находится несколько электронов, слабо связанных с ядром. Их число равно валентности металлов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными, легко отщепляются, быстро двигаются между ядрами и называются свободными. Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов является положительно заряженными ионами.

В узлах кристаллической решетки атомы металлов связываются со своими ближайшими соседями с помощью валентных электронов. Связь такого вида называется металлической.

Определенная часть валентных электронов, покидая ядра своих атомов, уходит в междоузельное пространство и образует так называемый электронный «газ», состоящий из таких же электронов, которые потеряли связь со своими ядрами и стали общими или коллективизированными.

Благодаря коллективизированным электронам металлы обладают электро- и теплопроводимостью, характерным металлическим блеском и некоторыми другими чисто металлическими свойствами.

2. Тип кристаллической решетки металла определяется формой того геометрического тела, которое составляет основу его элементарной ячейки. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток металлов являются кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гране-центрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Как видно на рисунке 1.2, в первых двух типах кубических решетках 8 атомов находятся в вершинах куба, а остальные – на пересечении диагонали куба (т.е. в центре куба) – у ОЦК (рис. а), либо на пересечении диагоналей каждой грани, т.е в ее центре – у ГЦК (рис. б) .

Ячейка решетки ГПУ (рис. 1.2, в) является призмой, основаниями которой являются центрированные одним атомом шестигранники. Внутри этой ячейки между основаниями находятся еще три атома, образующие равносторонний треугольник.

Кристаллические решетки металлов независимо от их типа являются плотноупакованными. Это означает, что атомы, находящиеся в узлах, сталкиваются друг с другом своими внешними оболочками.

ОЦК - решетки имеют железо при обычных температурных условиях, хром, вольфрам, ванадий, молибден, калий, натрий.

ГЦК - решетки имеют никель, медь, алюминий, свинец, серебро, железо при температуре 911 – 1392 ⁰С и др.

ГПУ - решетки имеют магний, цинк, а так же кобальт, цирконий и титан при комнатной температуре.

3. В реальных металлах есть еще одна очень важная для понимания их свойств особенность. Кристаллическая решетка их зерен не является идеальным геометрическим построением, ей присущи такие дефекты, как вакансии, внедренные атомы и дислокации.

Вакансией называется незаполненный по той или иной причине узел кристаллической решетки (рис. 1.3, а). В местах вакансий кристаллическая решетка искажена, там возникают местные внутренние напряжения, которые обусловлены нарушениями однородности сил межатомного взаимодействия, существующей в идеальных кристаллических решетках со всеми заполненными узлами.

Рисунок 1.3

Если в отдельных ячейках кристаллической решетки между ее узлами по каким-либо причинам оказываются как бы «лишние» атомы данного или другого элемента, то образующиеся при этом дефекты называются внедренными атомами. Внутренние напряжения оказываются тем больше, чем значительнее разница между размерами атомов внедренного и данного металла (рис. 1.3, б).

Линейные несовершенства кристаллической решетки называются дислокациями (рис. 1.3, в). Они возникают при кристаллизации, особенно на границах зерен при пластической деформации металла, при резких нагреваниях и охлаждениях. Эти дефекты представляют подобие сдвига части кристаллической решетки.

Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов.

4. В металлах выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления, электропроводимость, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и при фазовых превращениях;

Химические свойства - окисляемость, растворимость, коррозийная стойкость, жароупорность и т.п.

Технологические свойства - ковка, литейные свойства, обрабатываемость режущим инструментом, свариваемость и т.п. От этих свойств зависит, каким способом из данного материала можно изготовить ту или иную деталь;

Механические свойства - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость и т.п.

Способность плавиться при нагревании используется для получения отливок путем расплавления металла в формах. Некоторые сложные сплавы имеют такую низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки матриц типографий, в приборах, служащих для предотвращения пожаров и т.п.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для создания линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, в электронагревательных приборах.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), в приборостроении и т.д.

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т.п.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов. Расширение металлов должно приниматься во внимание при строительстве длинных сооружений, например, мостов, трубопроводов. Нужно также учитывать, что две детали из металлов с различным коэффициентом расширения и скреплённые между собой при нагревании сгибаются.

Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах. Для деталей и сооружений, которые должны обладать высокой коррозионной стойкостью, применяют специальные нержавеющие, кислотные и жаропрочные стали и другие сплавы. Для изделий также применяют защитные покрытия.

Технологические свойства имеют весьма важное значение при различных видах обработки.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под воздействием внешних сил.

Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности.

Твердостью называется сопротивление тела деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.

Упругость - свойство материалов восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы (деформацию).

Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность - свойство, обратное упругости.

Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкость - свойство, обратное хрупкости.

Первое требование, предъявляемое к любому изделия - это достаточная прочность. Металлы - прочные материалы, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготавливаются из металлов. Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке. Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Эксплуатационные свойства. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1 Приведите ответ на вопрос:

1.1 Связь между атомами какого вида называют металлической?

1.2 Какие электроны металла называют общими или коллективизированными?

1.3 Какими свойствами владеют металлы благодаря коллективизированным электронам?

1.4 Чем определяется тип кристаллической решетки? Какие типы кристаллических решеток вам известны?

1.5 Какие дефекты кристаллических решеток вам известны и к чему могут привести дефекты кристаллических решеток?

2 Выберите правильный ответ:

2.1 Температура плавления, теплопроводность, электропроводность, магнитные свойства относятся к

А) физическим свойствам металлов;

Б) химическим;

В) технологическим;

Г) механическим.

2.2 Какие свойства металлов относятся к физическим?

А) коррозийная стойкость, жаростойкость, окисление;

Б) прочность, твердость, пластичность;

В) цвет, плотность, электропроводимость;

Г) свариваемость, обработка режущим инструментом, ковка.

2.3Ковка, литейные свойства, свариваемость относятся к

А) физическим свойствам металлов;

Б) химическим;

В) технологическим;

Г) механическим.

2.4 Прочность, твердость, упругость, пластичность относятся к

А) физическим свойствам металлов;

Б) химическим;

В) технологическим;

Г) механическим.

2.5 Окисление, растворимость, коррозийная стойкость относятся к:

А) физическим свойствам металлов;

Б) химическим;

В) технологическим;

Г) механическим.

Список литературы:

1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. –М.: Издательский центр «Академия», 2004 год. – 312 с.

2. Конструкционные и электротехнические материалы. Под редакцией В.А.Филикова. –М.: Высшая школа, 1990. –296 с.

3. В.М.Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы. –М.: Высшая школа, 1980. – 360 с.