Презентация на тему урока по учебной дисциплине Материаловедение по профессии СВАРЩИК

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Цель преподавания темы 1.1. - дать обучающимся теоретические знания:
о типах атомных связей и их влиянии на свойства металлов;
об атомно-кристаллическом строении металлов и основных типах кристаллических решеток;
об анизотропия и аллотропии металлов;
о дефектах кристаллической решетки металлов.


Форма проведения занятия: лекция.
Место проведения занятия: учебный кабинет материаловедения.

атомы занимают в пространстве вполне определенные места. Атомы совер­шают относительно

своего среднего положения колебания с частотой около 1013 Гц,. амплитуда этих колебаний пропорциональна температуре.
    Благодаря упорядоченному расположению атомов в про­странстве, их центры можно соединить воображаемыми прямыми ли­ниями. Совокупность таких пересекающихся линий представ­ляет пространственную решетку, которую называют кристаллической решеткой.
   

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Кристаллические тела.

Кристаллические твердые тела состоят из кристаллических зерен - кристал­литов. В соседних зернах кристаллические решетки поверну­ты относительно друг друга на некоторый угол.
    В кристаллитах соблюдаются ближний и дальний порядки. Это означает на­личие упорядоченного расположения и стабильности как ок­ружающих данный атом ближайших его соседей (ближний порядок), так и ато­мов, находящихся от него на значительных расстояниях вплоть до границ зерен (дальний порядок).

Расположение атомов в кристаллическом веществе

кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между

которыми движутся свободные электроны.
Наименьшая часть объёма кристаллической решетки, которая определяет её систему, называется элементарной кристаллической ячейкой.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Основные типы кристаллических решеток

Схема пространственной кристаллической решетки

Для описания формы и размеров элементарной кристаллической ячейки используют следующие величины: три расстояния от атомов в узлах решетки до их ближайших соседей по осям координат – параметры решетки a, b, c и три угла между этими осями – α, β, γ.
Кроме того, каждая элементарная кристаллическая ячейка имеет свои характеристики: координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома и плотность упаковки – отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки.
Большинству металлов свойственно образование высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов.

решетки.
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов»

примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Основные типы кристаллических решеток

Основные типы кристаллических решеток металлов

(а), в которой положительно заряжен­ные ионы металла находятся в

вершинах куба, и еще один атом в центре его объема. Такой тип решетки имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.
 У ГЦК-решетки (б) элементарной ячейкой слу­жит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.
    Третьей распространенной разновидностью решеток является гексагональная плотноупакованная (в), которая состоит из отстоя­щих друг от друга на параметр с параллельных центриро­ванных гексагональных оснований. Три иона (атома) нахо­дятся на средней плоскости между основаниями. Такую решетку имеют маг­ний, цинк, кадмий, бериллий, титан и др.
   Плотность упаковки представляет собой отношение сум­марного объема, занимаемого собственно атомами в кристал­лической решетке, к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют раз­ную плотность упаковки атомов. В ГЦК решетке атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатом­ные промежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке атомы занимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %. Компактность решетки за­висит от особенностей электронной структуры металлов и ха­рактера связи между их атомами.
От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Основные типы кристаллических решеток

(б), в которой положительно заряжен­ные ионы металла находятся в

вершинах куба, и еще один атом в центре его объема. Такой тип решетки имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.
 У ГЦК-решетки (в) элементарной ячейкой слу­жит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.
    Третьей распространенной разновидностью решеток является гексагональная плотноупакованная (г), которая состоит из отстоя­щих друг от друга на параметр с параллельных центриро­ванных гексагональных оснований. Три иона (атома) нахо­дятся на средней плоскости между основаниями. Такую решетку имеют маг­ний, цинк, кадмий, бериллий, титан и др.
   Плотность упаковки представляет собой отношение сум­марного объема, занимаемого собственно атомами в кристал­лической решетке, к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют раз­ную плотность упаковки атомов. В ГЦК решетке атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатом­ные промежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке атомы занимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %. Компактность решетки за­висит от особенностей электронной структуры металлов и ха­рактера связи между их атомами.
От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Основные типы кристаллических решеток

в кристаллических телах вдоль раз­личных кристаллографических направлений. Она является естественным

следствием кристаллического строения, так как на различных кристаллографических плоскостях и вдоль различных направлений плотность атомов различна.
    Например, в куби­ческих решетках (б, в) по направлениям вдоль ребер насчитывается меньше атомов, чем вдоль диагоналей куба в ОЦК-решетке или диагоналей граней в ГЦК-решетке. На плоскостях, проходящих через грани ОЦК- и ГЦК-решеток, находится меньше атомов, чем на диагональных плоскостях.
  Поскольку механические, физические и химические свойства вдоль различных направлений зависят от плотности находя­щихся на них атомов, то перечисленные свойства вдоль раз­личных направлений в кристаллических телах должны быть неодинаковыми.
    Анизотропия проявляется только в пределах одного монокристалла или зерна-кри­сталлита. В поликристаллических телах она не наблюдается из-за усреднения свойств по каждому направлению для огром­ного количества произвольно ориентированных друг относи­тельно друга зерен. Поэто­му реальные металлы являются квазиизотропными телами, т. е. псевдоизотропными.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Анизотропия в кристаллах

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Анизотропия в кристаллах

Элементарная ячейка решетки ОЦК

Сдвиг в кристалле происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов. Рассмотрим объемно-центрическую кубическую решетку (ОЦК).

.

Плоскость ABCD. Количество атомов в плоскости ABCD – 1; площадь ABCD = a2; площадь, приходящаяся на 1 атом – удельная площадь:      – мера плотности упаковки

 Базисная плоскость

Плоскость с максимальной
упаковкой атомов

Плоскость ABGH (рис 1.6 б). Количество атомов в плоскости ABGH – 2; площадь ABGH = a2   ;    

В плоскости ABGH плотность упаковки больше чем в ABСD. Наиболее вероятен сдвиг вдоль диагональных плоскостей.

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Аллотропия металлов

Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных темпера­тур изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к дру­гому называются аллотропическими или полиморфными.

Процессы плавления и кристаллизации металлов и сплавов происходят в соответствии со ΙΙ законом термодинамики. Согласно этому закону, все процессы в системе происходят в направлении уменьшения её свободной энергии. При температурах ниже Ткр (область Ι) свободная энергия твердого металла меньше свободной энергии жидкого, поэтому протекает процесс кристаллизации, и металл затвердевает. При температурах выше Ткр (область ΙΙ) жидкий металл обладает меньшей свободной энергией, поэтому в данной области протекает процесс плавления, и металл находится в жидком состоянии.

Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры для твердого и жидкого состояний

по теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной

дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

При нагреве кристаллического тела (металла) наблюдается граница перехода из твердого состояния в жидкое. То же самое наблюдается при охлаждении, то есть при переходе из жидкого состояния в твердое. На участке 1 – 2 подвод тепла к металлу сопровождается повышением его температуры. За счет поглощения тепловой энергии увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки.

На участке 2 – 3 подвод тепла не приводит к повышению температуры, а подводимая энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки и перевод атомов в неупорядоченное состояние, то есть переход из твердого состояния в жидкое.
На участке 3 – 4 подвод тепла вызывает повышение температуры уже жидкого металла. На участке 4 – 5 идет охлаждение жидкого металла. На участке 5 – 6 происходит кристаллизация металла. При этом выделяется тепло, которое называют скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления, а при переохлаждении на величину ΔТ. Величина ΔТ называется степенью переохлаждения и является разностью между теоретической температурой плавления (кристаллизации) и фактической температурой кристаллизации.

Кристаллизация металлов

теме 1.1. «Атомно-кристаллическое строение металлов» примерной программы учебной дисциплины

ОП 04. «Основы материаловедения»
по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Механизм кристаллизации металла состоит в том, что при понижении температуры жидкого металла в нем начинают образовываться мелкие кристаллы, называемые центрами кристаллизации (или зародышами). Вокруг этих образовавшихся центров начинают расти кристаллы. Процесс кристаллизации металла состоит из 2-х элементарных процессов: 1) зарождение центров кристаллизации; 2) рост кристаллов из этих центров.
По мере роста кристаллов в жидком металле продолжают возникать новые центры кристаллизации. Растущие из них кристаллы ориентированы произвольно, и при столкновении с соседними правильная форма кристаллов нарушается, становится произвольной. Металл, состоящий из большого количества таких кристаллов, называется поликристаллическим.

Кристаллизация металлов

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Строение реальных металлов

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называют зернами. Они обычно имеют неправильную форму. Каждое из этих зерен имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличающуюся от соседних.

Металлографическое изображение технически чистого титана марки ВТ1-0

Изучение строения металлов с помощью электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа показало, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В кристаллической решётке металла существуют различные дефекты (несовершенства). Эти дефекты нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Строение реальных металлов

Различают три вида структурных несовершенств: точечные, линейные и поверхностные. Все эти несовершенства характеризуются малыми – соизмеримыми с межатомным расстоянием – размерами. Точечные дефекты малы в трех измерениях; линейные дефекты малы в двух измерениях, а в одном велики – составляют десятки микрометров; поверхностные дефекты малы в одном измерении, а в двух – велики.

Схемы точечных дефектов
кристаллического строения.

Вакансия – это отсутствие атома в узле кристаллической решетки (а). Вокруг вакансии возникает искажение кристаллической решетки и напряжения. Наличие вакансий в решетке сообщает атомам подвижность. Число вакансий зависит от температуры металла. С повышением температуры число вакансий сильно увеличивается. Скопление вакансий может привести к образованию пустот и пор.
Межузельный атом – это атом, вышедший из узла кристаллической решетки и занявший место в междоузлии (б). Вокруг такого атома также возникает искажение кристаллической решетки. Величина искажений больше, чем при образовании вакансии. Межузельные атомы вызывают упрочнение металла.
Примесный атом – атом, занимающий в кристаллической решетке металла место основного атома (в). Примесный атом всегда отличается по размеру от основных атомов.

металлов» примерной программы учебной дисциплины
ОП 04. «Основы материаловедения»

по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Линейные дефекты кристаллической решетки

К линейным дефектам относятся дислокации.
Дислокация – это особая конфигурация расположения атомов в кристаллической решетке. Дислокации бывают двух основных видов: краевые и винтовые. Краевую дислокацию образует лишняя атомная полуплоскость, образованная в части кристалла. Эта полуплоскость называется экстраплоскостью.

Схемы линейных дефектов
кристаллического строения.

Винтовая дислокация получается при частичном сдвиге кристаллической решетки. При этом образуется ступенька, проходящая по части кристалла. В металлах могут возникать также смешанные дислокации, которые состоят из краевых и винтовых дислокаций.
Образование дислокаций повышает энергию кристалла. Плотность дислокаций зависит от состояния металла. После холодной деформации плотность дислокаций увеличивается. Изменение плотности дислокаций сильно влияет на свойства металлов. Повышение плотности дислокаций увеличивает прочность.