Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов


 ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

 серия основана в 1 996 г.





A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНИК

КНИГА 1 СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим Советом ФГБОУ ВО «МГТУ “СТАНКИН”» в качестве учебника для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов»


Электронно-

znanium.com
Москва ИНФРА-М 2021

УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73

     А28




          Рецензенты:
         Ю.Ф. Набатников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного оборудования, транспорта и машиностроения Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»;
         Л.Г. Алехин — кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики МИРЭА — Российского технологического университета




       Адаскин А.М.
А28 Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов : учебник : в 2 кн. Книга 1. Строение материалов и технология их производства / A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 250 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1143245.


          ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.)
          ISBN 978-5-16-016429-8 (кн. 1, print)
          ISBN 978-5-16-108722-0 (кн. 1, online)


          Книга 1 учебника состоит из двух частей. В части I описано строение металлических, неметаллических и композиционных материалов. Рассмотрены технологии производства металлических материалов: металлургическое производство черных и цветных металлов; порошковая металлургия; технологии получения неметаллических материалов: полимеров, стекла, графита; технологии получения композиционных материалов, в том числе полуфабрикатов — препрегов, премиксов.
          Часть II посвящена методам изучения свойств материалов. Рассмотрены металлические материалы, технологии их упрочнения термической, химико-термической обработкой, пластической деформацией. Приведены особенности органических и неорганических неметаллических материалов, а также возможность изменения их свойств. Широко освещены композиционные материалы, показаны области их рационального применения. Переработана глава 14, в которой рассмотрены интеллектуальные материалы.
          Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
          Для бакалавров и магистрантов, обучающихся по группам направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов». Может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей, а также при повышении квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.


УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73



ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.)
ISBN 978-5-16-016429-8 (кн. 1, print)
ISBN 978-5-16-108722-0 (кн. 1, online)

© Адаскин A.M., Красновский А.Н., 2016 © Адаскин A.M., Красновский А.Н.,

Тарасова Т.В., 2021, с изменениями

ОГЛАВЛЕНИЕ






Введение.....................................................................7
Часть I. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА....................11
  Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов.
  Строение материалов........................................................11
    1.1. Типы межатомных связей. Кристаллическое и аморфное строение.........11
      1.1.1. Типы межатомных связей..........................................11
      1.1.2. Кристаллическое и аморфное строение.............................13
    1.2. Металлы. Кристаллическое строение...................................14
      1.2.1. Кристаллические решетки.........................................14
      1.2.2. Полиморфные превращения.........................................17
      1.2.3. Анизотропия и изотропия кристаллических тел.....................17
      1.2.4. Идеальное и реальное строение кристаллических тел...............18
    1.3. Строение полимеров и пластических масс..............................20
      1.3.1. Молекулярное строение полимеров.................................20
      1.3.2. Классификация полимеров.........................................23
      1.3.3. Пластические массы (пластмассы).................................24
    1.4. Неорганическое стекло...............................................24
    1.5. Слоистые и плотные (кубические) структуры углерода и нитрида бора...26
      1.5.1. Слоистые структуры углерода и нитрида бора......................26
      1.5.2. Плотная (кубическая) модификация углерода — алмаз...............26
    1.6. Строение композиционных материалов..................................27
  Глава 2. Металлургические процессы производства металлов и сплавов.........30
    2.1. Основы металлургического производства...............................30
      2.1.1. Материалы металлургического процесса............................30
      2.1.2. Технологии обогащения руд.......................................32
    2.2. Получение слитков металлов и сплавов. Строение слитка...............33
      2.2.1. Первичная кристаллизация (затвердевание)........................33
      2.2.2. Строение слитка.................................................36
    2.3. Обработка металлов давлением в металлургическом производстве........37
      2.3.1. Прокатка........................................................37
      2.3.2. Прессование.....................................................40
      2.3.3. Волочение.......................................................41
  Глава 3. Порошковая металлургия............................................43
    3.1. Получение порошков и приготовление смесей...........................43
    3.2. Формование заготовок................................................44
    3.3. Спекание............................................................46
    3.4. Особенности обработки спеченных заготовок...........................46
  Глава 4. Производство черных металлов — чугуна и стали.....................48
    4.1. Производство чугуна.................................................48
      4.1.1. Подготовка шихты................................................48
      4.1.2. Выплавка чугуна.................................................48
      4.1.3. Продукция доменного производства................................52
    4.2. Производство стали..................................................52
    4.3. Разливка стали......................................................58
    4.4. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества....60

Оглавление

  Глава 5. Производство цветных металлов...................................64
    5.1. Производство меди.................................................64
    5.2. Производство алюминия.............................................67
    5.3. Производство титана...............................................69
  Глава 6. Производство неметаллических материалов.........................71
    6.1. Технология производства полимеров.................................71
      6.1.1. Полимеризация полимеров.......................................71
      6.1.2. Поликонденсация полимеров.....................................73
      6.1.3. Технология синтеза полимеров..................................74
    6.2. Технология производства пластических масс.........................75
      6.2.1. Технология периодического смешения............................76
      6.2.2. Вальцевание и каландрование...................................78
      6.2.3. Непрерывное смешение высоковязких полимеров с наполнителями. Экструзия............................................................81
      6.2.4. Гранулирование и измельчение..................................85
    6.3. Производство стекла...............................................86
    6.4. Технология получения графита и плотных модификаций углерода и нитрида бора.........................................................88
      6.4.1. Получение графита.............................................88
      6.4.2. Синтез алмаза и кубического нитрида бора......................89
  Глава 7. Технология изготовления композиционных материалов...............92
    7.1. Волокна. Технология производства и свойства.......................92
    7.2. Упрочняющие компоненты на основе волокон..........................96
      7.2.1. Однонаправленные наполнители..................................96
      7.2.2. Тканые волокнистые элементы...................................98
      7.2.3. Волокнистые элементы объемного плетения ......................99
      7.2.4. Нетканые волокнистые элементы................................100
    7.3. Полуфабрикаты. Препреги (SMC) и премиксы (BMC)...................101
      7.3.1. Препреги.....................................................102
      7.3.2. Премиксы ....................................................102
    Темы рефератов и докладов.............................................103
    Тест..................................................................103
Часть II. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ...............................................105
  Глава 8. Механические свойства материалов и методы их определения.......105
    8.1. Определение механических свойств металлов и сплавов..............105
      8.1.1. Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения.................................................105
      8.1.2. Определение твердости........................................106
      8.1.3. Испытания на усталость.......................................109
      8.1.4. Испытания на ползучесть......................................110
      8.1.5. Определение ударной вязкости и порога хладноломкости.........110
      8.1.6. Трещиностойкость.............................................112
      8.1.7. Испытания на износостойкость.................................113
    8.2. Определение механических свойств пластических масс и композиционных материалов............................................................114
  Глава 9. Теория сплавов.................................................118
    9.1. Общие сведения (терминология)....................................118
    9.2. Типы сплавов. Диаграммы состояния................................118
      9.2.1. Типы сплавов.................................................118
      9.2.2. Диаграммы состояния сплавов..................................120
    9.3. Диаграммы состояния металлических сплавов, упрочняемых термической обработкой............................................................127

Оглавление

5

Глава 10. Диаграмма состояния «железо — цементит». Сплавы железа и углерода.129
  10.1. Диаграмма состояния Fe — Fe₃C.......................................129
  10.2. Структура сплавов системы Fe — Fe₃C.............................132
Глава 11. Основы термической обработки..................................134
  11.1. Виды термической обработки......................................134
  11.2. Превращения в сталях при нагреве................................134
  11.3. Превращения в сталях при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения аустенита.................................................136
  11.4. Технология объемной термической обработки.......................139
    11.4.1. Отжиг и нормализация........................................140
    11.4.2. Закалка.....................................................141
    11.4.3. Отпуск и старение...........................................143
  11.5. Поверхностное упрочнение........................................145
    11.5.1. Химико-термическая обработка................................146
    11.5.2. Поверхностная закалка.......................................150
  11.6. Среды для нагрева и охлаждения при термической обработке........153
    11.6.1. Нагревающие среды...........................................153
    11.6.2. Охлаждающие среды...........................................154
Глава 12. Стали.........................................................156
  12.1. Примеси сталей и их влияние на свойства.........................156
  12.2. Классификация сталей по качеству................................157
  12.3. Маркировка сталей...............................................157
  12.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей.....158
  12.5. Стали общетехнического назначения...............................163
Глава 13. Чугуны........................................................167
  13.1. Классификация чугунов...........................................167
  13.2. Белые и отбеленные чугуны.......................................167
  13.3. Чугуны с графитом...............................................168
  13.4. Термическая обработка чугуна....................................172
Глава 14. Материалы со специальными свойствами..........................174
  14.1. Стали, устойчивые против коррозии...............................174
  14.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы........................176
  14.3. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами..................178
  14.4. Материалы с особыми электрическими свойствами.......................179
  14.5. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения и модулем упругости.................................................................180
  14.6. Износостойкие стали.............................................180
  14.7. Высокопрочные стали.............................................181
  14.8. Аморфные сплавы (металлические стекла)..........................182
  14.9. Интеллектуальные материалы......................................185
    14.9.1. Сплавы с «памятью»..........................................186
    14.9.2. Пьезоэлектрики..............................................187
    14.9.3. Магнитострикционные сплавы..................................188
    14.9.4. Материалы тензодатчиков.....................................189
    14.9.5. Термоэлектродные сплавы.....................................189
Глава 15. Цветные металлы и сплавы......................................192
  15.1. Медь и сплавы на ее основе......................................192
  15.2. Алюминий и сплавы на его основе.................................194
  15.3. Титан и сплавы на его основе....................................196
  15.4. Баббиты ........................................................197

Оглавление

  Глава 16. Полимеры и пластические массы.................................198
    16.1. Температурные зависимости свойств полимеров.....................198
    16.2. Пластические массы..............................................201
      16.2.1. Состав и классификация пластических масс....................201
      16.2.2. Термопластичные пластмассы..................................202
      16.2.3. Термореактивные пластмассы..................................204
      16.2.4. Газонаполненные пластмассы..................................205
    16.3. Эластомеры (каучуки), резины....................................206
    16.4. Пленкообразующие материалы, клеи, герметики, лаки, краски.......208
    16.5. Область рационального применения пластмасс......................210
    16.6. Стекла и ситаллы................................................211
      16.6.1. Неорганическое стекло.......................................211
      16.6.2. Ситаллы ....................................................216
    16.7. Графит как конструкционный материал.............................218
  Глава 17. Композиционные материалы......................................220
    17.1. Структура и принципы упрочнения композиционных материалов.......220
      17.1.1. Структура и механизм упрочнения дисперсно-упрочненных композитов...220
      17.1.2. Структура и механизм упрочнения волокнистых композитов......221
    17.2. Дисперсно-упрочненные композиты.................................224
    17.3. Волокнистые композиты...........................................226
      17.3.1. Требования к эксплуатационным и технологическим свойствам компонентов композитов..............................................226
      17.3.2. Материалы матриц............................................228
      17.3.3. Упрочняющие компоненты......................................231
    17.4. Свойства волокнистых композитов.................................233
      17.4.1. Композиты с полимерной матрицей.............................233
      17.4.2. Стеклопластики..............................................234
      17.4.3. Органопластики..............................................234
      17.4.4. Углепластики................................................234
      17.4.5. Боропластики................................................235
      17.4.6. Гибридные пластики..........................................235
      17.4.7. Композиты с углеродной матрицей — углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).....................................235
      17.4.8. Композиты с металлической матрицей..........................236
      17.4.9. Композиты с керамической матрицей...........................239
    Темы рефератов и докладов.............................................242
    Тесты ................................................................242
Правильные ответы к тесту части I.........................................248
Правильные ответы к тестам части II.......................................248
Библиографический список..................................................249

Введение









    Материаловедение и технология материалов — науки, определяющие уровень развития цивилизации. Вся история развития человечества связана с освоением и использованием материалов, технологий их производства и изготовления из них изделий, при этом развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой.
    Отметим важные этапы развития материаловедения и технологии материалов.
    Материалы дали названия целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.
    На ранней стадии развития человечества использовались природные материалы — дерево, кость, камень. Особое место занял камень, из которого изготавливались орудия труда — каменные топоры, каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 500 тыс. лет назад люди научились добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней утвари положило начало керамической технологии.
    На следующем этапе развития цивилизации стали использоваться металлы, естественно, что в первую очередь металлы, встречающиеся в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это медь, начало ее применения относят к VII тысячелетию до н. э. В IV тысячелетии до н. э. начали применять сплавы. Используются изделия из бронзы — сплава меди с другими металлами, в первую очередь с оловом, имеющие лучшие свойства, чем чистая медь. Это означает, что в историю техники вступила технология металлургии.
    С самых ранних времен использовались прообразы композиционных материалов. О том, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. В Древнем Египте рабы добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Еще один композит Древнего Египта использовался в облачениях египетских мумий, которые делали из полос папируса (наполнитель), пропитанного смолой (матрица).
    Важнейшим, взрывным этапом технологического развития стало использование железа и его сплавов. XIX в. знаменуется появлением и развитием промышленных методов производства стали — конвертерный метод к середине века, к концу века — мартеновский. Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом.
    Промышленная революция середины XIX в. стала мощным побудительным мотивом развития и материаловедения, и технологии металлов. Остановимся на важнейших этапах развития этих наук.
    Основоположником металловедения является выдающийся русский ученый Д.К. Чернов (1839-1921). Работая на Обуховском заводе, он провел исследования превращений, происходящих при нагреве стали. В результате этих работ, опубликованных в 1868 г., было показано, что существуют температуры, при которых происходят превращения в сталях. Эти температуры позднее были названы критическими точками (точки Чернова). Именно Д.К. Чернов впервые изобразил очертания важнейших ли

Введение

ний диаграммы состояния «железо — углерод». Французский исследователь Ф. Осмонд (1849-1912) определил с помощью пирометра температуры критических точек, описал характер превращений при этих температурах и дал названия основным структурам. Спустя 10 лет Д.К. Чернов изложил основы теории кристаллизации сплавов, развитые затем Г. Тамманом (1861-1938).
    Важный вклад в теорию науки внес американец Д. Гибсс (1839-1903), который, используя принципы термодинамики, разработал теорию равновесия фаз. На основании этой теории, а также с помощью металлографического анализа рядом ученых — русские исследователи Н.Т. Гудцов (1885-1957), А.А. Байков (1870-1946) и англичанин Р. Аустен (1843-1902), было доказано наличие твердых растворов в металлических сплавах.
    Большой вклад в разработку научных основ металловедения внес Н.С. Курнаков (1860-1941), применивший методы физико-химического анализа для исследования сплавов. Он, в частности, установил закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их типа и химического состава.
    В.Д. Садовский установил факты измельчения зерна в результате полиморфных превращений, И.Н. Фридляндер разработал сплавы цветных металлов, упрочняемые дисперсионным твердением.
    В XX в. бурно развивалось и материаловедение, и технологии производства материалов, появились новые материалы. В 1960-х гг. был осуществлен промышленный синтез алмаза, а также созданы синтетические вещества, не встречающиеся в природе, в частности, кубический нитрид бора, свойства которого близки к алмазу.
    В первой половине XX в. появились полимеры — новые материалы, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. Полимеры широко применяют в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и др. Полиэтилен называют материалом, который позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара.
    XX в. характеризуется разработкой и промышленным использованием большого количества типов и составов композитов — материалов, обладающих комплексом свойств, принципиально отличающих их от традиционных конструкционных материалов — металлических и неметаллических. Более того, композиты — это материалы, свойства которых можно задавать, т.е. «конструировать» материалы.
    Применение композитов открывает широкие возможности для совершенствования конструкций самого разнообразного назначения — от медицины до космоса.
    Для развития техники требуются материалы с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать как при весьма высоких температурах, так и при температурах, близких к абсолютному нулю. Компьютерные технологии стали возможными только при использовании материалов с особыми электрическими свойствами. Таким образом, материаловедение — одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.
    Технология материалов. На ранних этапах развития технологий изделия производились индивидуально, в натуральных хозяйствах. Затем возникло разделение труда — появились ремесленники. Знание ремесла передавалось от отца к сыну, от мастера к ученику, оставаясь закрытым для посторонних.
    Переход от ремесленного к промышленному производству был невозможен без разработки научных основ обработки материалов и создания высокопроизводительных технологий.

Введение

9

    Не случайно поэтому проведение в 1868-1869 гг. исследований, посвященных обработке материалов, проведенных И.А. Тиме, итог которых описан в его книге «Сопротивление металлов и дерева резанию».
    Повышение производительности обработки резанием было важнейшей задачей, и она решалась созданием высокопроизводительных инструментальных материалов — быстрорежущих сталей (1914 г.), твердых сплавов (1930-е гг.). В 1950-1960-е гг. получили промышленное использование режущая керамика и сверхтвердые материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить скорость резания и повысить производительность обработки. При этом получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки в промышленных масштабах порошковой технологии производства материалов.
    Были разработаны технологии высокопроизводительной обработки материалов методами пластической деформации, литья.
    Создание электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т.е. изготавливать изделия из материалов, которые раньше обработать было невозможно — например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза.
    Производство композиционных материалов и изделий из них требует использования самых разнообразных технологий. Это традиционные технологии, используемые для производства металлических и неметаллических материалов, а также новейшие плазменные, электрофизические, электрохимические и др.
    Взаимное влияние материаловедения и технологии материалов можно проследить на некоторых прорывных технологиях.
    Металлургия освоила производство сверхчистых сплавов, необходимых для электронной промышленности, космической отрасли.
    Промышленное производство твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки порошковой технологии производства материалов.
    Производство синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва — создания технологий высокого давления.
    Создание материалов с памятью формы решило проблему надежных соединений трубопроводов, позволило создать самораскрывающиеся антенны космических аппаратов.
    Материалы с высокими значениями удельной прочности и жесткости востребованы авиационной и космической промышленностью.
    Использование наноматериалов и нанотехнологий позволяет получить материалы и изделия с уникальными механическими и функциональными свойствами.
    Применение аддитивных технологий решает проблемы изготовления деталей весьма сложной формы, производство которых традиционными технологиями весьма трудоемко или просто невозможно.
    Таким образом, материаловедение и технология получения и обработки материалов являются приоритетными науками.
    Настоящий учебник посвящен изучению металлических, неметаллических и композиционных материалов, их получению и обработке.
    Первая часть посвящена строению материалов, и технологиям производства (получения) материалов.
    Вторая часть посвящена изучению структуры и свойств, а также применению материалов в промышленности.
    В третьей части рассмотрены формообразующие технологии, т.е. изготовление заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов.
    В результате освоения материала, изложенного в учебнике «Материаловедение металлических, неметаллических и композиционных материалов», книга 1 «Строение материалов и технология их производства», бакалавр (магистр) должен:

Введение

    знать
    •    строение современных металлических, неметаллических и композиционных материалов;
    •   виды межатомных связей и их влияние на свойства материалов;
    •    кристаллическое (типы кристаллических решеток, их характеристики) и аморфное строение материалов;
    •   строение металлов, пластических масс, стекол, композиционных материалов;
    •   теорию сплавов: диаграммы состояния; возможность упрочнения сплавов;
    •   технологические процессы производства материалов;
    •    металлургические технологии получения металлов и сплавов (получение слитков и их строение, обработка давлением и виды проката: сортовой, листовой, трубы и др.; порошковая металлургия);
    •   технологии производства полимеров пластических масс, стекла;
    •   технологии производства композиционных материалов;
    •   свойства материалов и методы их определения;
    •    механические свойства материалов и методы их определения (твердость, пределы прочности и текучести, ударная вязкость и трещиностойкость);
    •   эксплуатационные и технологические свойства материалов и методы их оценки;
    •    превращения при нагреве и охлаждении сплавов на основе железа, алюминия, меди;
    •    основные факторы, влияющие на механические и физические свойства материалов;
    •    принципы упрочнения материалов и создания материалов с особыми физикомеханическими свойствами;
    •    особенности строения термопластичных и термореактивных полимеров; их механические свойства (отличия от свойств металлов);
    •    композиционные материалы, структуру дисперсно-упрочненных и волокнистых композитов;
    уметь
    •    осуществить принципиальный выбор материала для определенных условий эксплуатации;
    •    определить свойство (или свойства) материала, определяющее работоспособность детали (изделия);
    •    назначить рациональную термическую или химико-термическую обработку деталей из металлов и сплавов для обеспечения эксплуатационных свойств или технологических свойств;
    •   выбрать методику определения свойств материалов;
    •   выполнить расчеты деталей машин на прочность и жесткость;
    владеть
    •    знаниями в области конструкционных материалов на основе железа, алюминия, меди;
    •    принципами выбора материалов для конкретных условий эксплуатации детали, изделия;
    •   знаниями методов проведения механических испытаний;
    •   техникой определения твердости;
    •    техникой обработки экспериментальных данных при определении пределов прочности и текучести ударной вязкости разрушения, трещиностойкости, усталостной прочности, износостойкости.
    Учебник предназначен для бакалавров и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по группам направлений подготовки 15.00.00«Машиностроение», 22.00.00 «Технологии материалов», также будет интересен специалистаммашиностро-ительных предприятий.

Часть I СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА








Глава 1




                ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ
                НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ




1.1. ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ И АМОРФНОЕ СТРОЕНИЕ

1.1.1. Типы межатомных связей
   Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые вещества существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания.
   Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веществах. Твердые вещества образуются, когда атомы сближаются так, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются электронами, вследствие чего между одинаково заряженными ионами возникают силы отталкивания.
   В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую природу, природа сил притяжения различна, и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида межатомной связи: ионную, ковалентную, металлическую и силы Ван-дер-Ваальса.
   Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации.
   В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль — NaCl. Натрий принадлежит к I группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор — элемент VII группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигурацией.
   Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; отрицательный ион хлора — устойчивую конфигурацию аргона. Межатомные силы притяжения — электростатические, ионная связь является сильной.

Часть I. Строение материалов и технология их производства

   В твердых веществах с ионной связью каждый положительный ион имеет сво

ими ближайшими соседями ионы только отрицательные и, наоборот (рис. 1.1).

Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно. Ионный тип связи характерен для соединений «металл — кислород» — оксидов (MgO,

Al₂O₃, ZrO₂). Они обладают весьма высокой твердостью.

2,81А

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl

    Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом связи — стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.
    Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, имеющими каждый по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней орбите, образуется

у каждого атома в результате обобществления одного из его электронов другим

атомом (рис. 1.2).
    Образование устойчивых конфигураций определяется правилом (8 — N), где N — число электронов на внешней орбите. Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два атома, поскольку на его внешней орбите на

Рис. 1.2. Молекула хлора (схема)

ходится шесть электронов.
    Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Например, алмаз — кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза осуществляется при обобществлении по одному электрону четырьмя атомами.
    Материалы с ковалентным типом связи — углерод, германий, сурьма — образуют элементы IV—VI групп подгруппы Периодической системы Д.И. Менделеева. Ковалентная связь характеризуется жесткой направленностью, поэтому кристаллические вещества с ковалентной связью обладают высокой твердостью, высокими температурами плавления, но низкой пластичностью, например, углерод с кубической кристаллической решеткой — алмаз, нитрид бора.
    Некоторые элементы этих групп могут образовывать сло

истые вещества с молекулярно-ковалентными связями. В слое связь ковалентная, сильная, а связь между слоями в молекуле слабая, определяемая силами Ван-дер-Ваальса (графит — углерод, имеющий, в отличие от алмаза, не кубическую, а слоистую структуру).

    Величина силы связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика у алмаза и значительно (на несколько порядков) слабее у полимеров.
    Металлическая связь образуется вследствие того, что атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами, они коллективизм-

Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов...

13

  руются, т.е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя «электронный газ». Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами.
     Наличие электронного газа определяет такие важнейшие свойства ме

Рис. 1.3. Силы Ван-дер-Вальса. Взаимодействие диполей

  талла, как высокие тепло- и электропроводность, пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования — ковку, прокат, во-

  лочение.
     Силы Ван-дер-Ваальса возникают вследствие того, что атомы являются малыми диполями. Среднее во времени пространственное распределение электронов в атоме симметрично относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, что и образует диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома.
     Межатомное притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса существует всегда, наряду с прочими видами связи, т.е. во всех веществах. Однако эти силы слабы и их учитывают только при отсутствии более сильных связей других типов. Так, они важны для веществ со слоистой структурой, где связь между слоями осуществляется только за счет этих сил (например, графит). Эти силы также связывают большие органические молекулы — основу термопластичных полимеров (см. далее).

1.1.2. Кристаллическое и аморфное строение
     Вещества (материалы) c разными типами межатомных связей могут иметь кристаллическое, аморфное или смешанное (комбинированное) строение.
     Кристаллические вещества характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул).
     Аморфное вещество можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Для аморфного состояния, в отличие от кристаллических веществ, характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. От жидкости с ее неупорядоченным расположением атомов аморфные вещества отличаются наличием ближнего порядка атомного расположения, но дальний порядок (периодичность) отсутствует. Аморфное состояние можно зафиксировать как в органических (полимеры), так и неорганических (стекла) веществах. Один и тот же (по химическому составу) материал может иметь либо кристаллическое, либо аморфное строение.
     Материалы с ионным типом связи. Кристаллическое строение характерно для химических соединений (например, NaCl, см. рис. 1.1). Вместе с тем, некоторые стекла (основа их химического состава именно химические соединения — оксиды) могут иметь и кристаллическое, и аморфное строение. Переход из аморфного

Часть I. Строение материалов и технология их производства

  в кристаллическое состояние происходит при нагреве, при этом стекла теряют прозрачность, т.е. резко меняют свои свойства (в данном случае оптические).
    Материалы с ковалентным типом связи. Аморфное или кристаллическое строение могут иметь полимеры. Алмаз, у которого преобладают ковалентные связи, имеет кристаллическое строение.
    Металлы могут находиться не только в кристаллическом (что более типично), но и аморфном, стеклообразном состоянии (металлические стекла). В кристаллическом и стеклообразном состоянии свойства одного и того же металла (сплава) существенно отличаются. Принципиально по-иному изменяется электрическое сопротивление при нагреве, в стеклообразном состоянии металлы могут обладать особыми магнитными свойствами и т.п. (см. ниже главу 14).


1.2. МЕТАЛЛЫ. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ


1.2.1. Кристаллические решетки

Рис. 1.4. Кристаллографическая плоскость (схема)

    Кристаллическое строение имеют наиболее распространенные конструкционные материалы — металлы и сплавы на их основе. Кроме того, такое строение присуще многим неметаллическим веществам с ковалентным или ионным типом связи, оно характеризуется правильным, закономерным расположением атомов (или ионов) в пространстве.
    Атомы, правильно расположенные в одной плоскости и соединенные воображаемыми линиями, символизирующими силы связи, образуют кристаллографическую плоскость (рис. 1.4). Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку (рис. 1.5), минимальный объем которой называется элементарной кристаллической ячейкой.
    Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом (атомной плотностью).
    Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки, и для металлов он составляет 0,1...0,7 нм.
    Под атомным радиусом понимают половину расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке.
    Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
    Координационное число — это число ближайших равноудаленных от атома (иона) соседних атомов (ионов).
    Для описания элементарной кристаллической ячейки используют отрезки a, b, c, равные рассто-


Рис. 1.5. Пространственная кристаллографическая решетка (схема)