1. Понятие о металлах. Природа металлической  связи. Основные  свойства металлов. Роль русских ученых  в развитии науки  о металлах.

   Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства материалов(или металлов?),  устанавливает связь между их составом, структурой и свойствами. Первые зачатки этой науки были заложены великим русским металлургом П.П.Аносовым (1799-1851). Он работал на заводе в г.Златоусте. Он впервые использовал микроскоп, разрабатывал способ производства качественной стали, раскрыл секрет качественной стали. Дмитрий Константинович Чернов: 1868- первый доклад (при нагреве сталь меняет свою структуру). Его назвали отцом металлургии. Создал диаграмму состояния углерода. Александр Александрович Бочва(?): в 1934 амер. Перс. Обнаружил аномальную пластичность сплавов (Al-Zn), ввел термин «сверхпластичность».

Металлы – вещества, обладающие характерным блеском, в той или иной степени присущей всем Ме, и пластичностью. Кроме того все Ме обладают высокой электро- и теплопроводностью, положительным температурным коэффициентом линейного расширения, термоэлектронной эмиссией, около 30 Ме сверхпроводимостью. Особенность строения -  все построены из таких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это наличие свободных электронов и обуславливает высокую электро- и теплопроводность. Для Ме характерно наличие металлической связи, когда положительно заряженные ионы образуют плотную, но пластичную кристаллическую решетку. При металлической связи возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Ионы в твердых металлах располагаются на таком расстоянии друг от друга и в таких точках пространства, в которых силы притяжения и отталкивания взаимно уравновешиваются, но каждый металл имеет определенную прочность и не рассыпается, так как силы притяжения преобладают над силами отталкивания. Наличие металлической связи объясняет многие свойства металла: каждый Ме состоит из одинаковых атомов, поэтому расстояния между этими точками пространства в разных направлениях должны быть одинаковыми и для каждого Ме своими.  Это приводит к тому, что  атомы и «+» ионы располагаются в пространстве закономерно, образуя правильную кристаллическую (пространственную) решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.  
 

2. Газообразное, жидкое и твердое состояния. Термодинамическая функция энергетического состояния системы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Кристаллизация металлов. Изменение свободной  энергии при кристаллизации. Критический зародыш.

Подавляющие большинство  металлов  получают путем кристаллизации из жидкого состояния.

При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое  образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

В процессе кристаллизации закладываются основные особенности  поликристаллического состояния металла. В процессе кристаллизации формируется  реальная структура, характеризующаяся  низкими экскурсионными свойствами металла, которые потом исправляются обработкой давлением или термической обработкой, а так же  их сочетанием. Состояние любого вещества определяется температурой и давлением. При постоянном давлении, если детали находятся на земной поверхности, где единственным изменением параметром вещества будет температура, которая влияет на состояние вещества не непосредственно, а через термодинамические характеристики. F- основанная характеристика состояния вещества, называемая энергией Гиббса, которая представляет собой ту часть ионной энергии вещества, которая может изменяться в различных процессах и может превращаться в работу.

 F = U – TS  + PV, где U – полная внутренняя энергия вещества, Т – абсолютная температура,  S – энтропия (вероятность пребывания вещества в данном состоянии)или показывает число способов, которыми система может придти в данное состояние, P – давление, V – объем. Свободная энергия с увеличением температуры уменьшается по кривой, так как теплоемкость жидкого состояния больше теплоемкости твердого состояния одного и того же вещества одинакового состава. При какой то t₀ свободная энергия жидкого состояния и твердого будут равны и могут существовать сколь угодно долго. При повышении t> t₀ вещество плавится, при понижении – кристаллизуется. В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, но в  тоже время в их расположении нет той правильности, которая характерна для сложного кристаллического тела. Когда атомы сохраняют постоянные межпластинчатые расстояния и угловые соотношения на больших расстояниях, то это называется дальним порядком.

Микрообъемы, возникшие  с правильным расположением атомов в жидком сплаве могут существовать некоторое время, а потом они  рассасываются и возникают вновь  в других местах. С понижением t размеры этих микрообъемов увеличиваются и постепенно металл кристаллизуется. Зародыши, возникшие в процессе кристаллизации могут быть разной величины. Зародыш может расти только в том случае, если он достиг определенной величины, начиная с которой его рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях называется критическим размером зародыша. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Параметры кристаллизации  и их зависимость  от степени переохлаждения. Факторы, влияющие  на процесс кристаллизации. Форма и размеры растущих кристаллов. Строение слитка. Аморфное состояние металла.

Температура, при  которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения.

На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла  в момент появления 1-го кристалла  в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет  место до тех пор, пока последняя  капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет  температуру T_S, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже T_S. T_кр - фактическая температура. T_S - T_К - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота  кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

В 1911 году русский  исследователь Георг Таммен , изучая процесс кристаллизации определил следующие параметры:

а) процесс зарождения центров кристаллизации (характеризуется  числом центров в 1 см³/сек);

б) рост кристалла, который численно определяется линейной скоростью роста кристалла, т.е скоростью перемещения грани кристалла параллельно самому себе (мм/сек).При Т=Т₀, энергия Гиббса равна свободной энергии, поэтому кристаллизации не идет. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс кристаллизации был термодинамически выгоден все системе и сопровождался уменьшением свободной энергии. Это будет происходить тогда, когда  жидкость будет охлаждена <Т₀. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации – переохлаждение. Те же причины обуславливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может быть может происходить лишь тогда, когда температуры будет выше Т₀. Это явление -  перенагревание. Величиной (степенью переохлаждения) называют разность между теоретической (1) и фактической (2) темп перекристаллизации.  

τ 

Наличие горизонтальной площадки объясняется тем, что отвод  тепла компенсируется выделяющимися  при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Величина переохлаждения влияет на число центров и скорость роста кристаллов. Чем больше скорость, тем выше степень переохлаждения.   При очень высоких степенях переохлаждения металл имеет аморфную структуру (безкристаллическую). Аморфные материалы более прочные, имеют ряд специальных свойств (очень хорошо работают в атомной энергетике). Но если этот материал нагреть до определенной температуры, то получается обычный металл с обычными свойствами.  
 
 

Структура литого слитка:

При кристаллизации жидкого металла макс степень  переохлаждения -  при контакте со стенками изложницы. По мере понижения  температуры отвод тепла наблюдается нормально поверхности стен.

1 – зона микрозернистых  кристаллов

2- зона столбчатых  кристаллов

Отвод тепла  затруднен во все стороны, то образуется зона крупных равноосных зерен

В процессе кристаллизации имеет место  усадка металла. Процесс кристаллизации слитка должен быть таким, чтобы кристаллизация  в последнюю очередь заканчивалась в верхней части слитка и усадочная раковина оказалась в верхней части, которая затем удаляется (отрезается) и идет на переплавку.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 6. Явление полиморфизма  в металлах.

  Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся  центров кристаллизации   n  и скоростью их роста m . В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

  Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной  температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

В частности  железо имеет 2 модификации: α-Fe – до 911 ⁰С, от 911 – 1392⁰С – γ- железо (ГЦК). Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов (Fe, Co, Zr , Pb). Быстрое охлаждение иногда может сохранить высокотемпературную модификацию при 25-30 С в течение длительного времени, т.к при этих температурах очень низкая диффузионная подвижность атомов не позволяет произвести их перестройку. При нагреве до 2000 С и давлением до 10¹⁰ Па углерод полиграфита перекристаллизовывается в алмаз.При очень больших давлениях в Fe  обнаруживается низкотемпературная модификация Fe  с ГПУ решеткой. Увеличение давления приводит к превращению менее упакованной структуры в более плотную.

 Справка:

 Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках.  Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Атомно-кристаллическая  структура металла. Элементарная кристаллическая ячейка. Классы симметрии.

  При рассмотрении  кристаллической решетки принимают  следующие условия:

 1) кристалл  бесконечен;

 2) кристаллы  образованы атомами;

 3) центры атомов будем называть узлами кристаллической решетки;

 Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках(ячейках).  Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку. Отрезки, при переносе через которые кристалл совмещается сам собой, называется периодом (параметром) кристаллической решетки. Для описании кристалл. В целом необходимо знать знать периоды, через которые решетка совмещается и знать углы этих направлений. В зависимости от соотношений углов и периодов образуется 7 симгоний (одинаковых углов).

 Кубическая  симгония : а=в=с, α = β= γ= 90⁰

 Тетрагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α = β= γ= 90⁰

 Гексагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α= β= 90⁰, γ= 120⁰.

 У металлов 2 симгонии: кубическая (Fe, Al, Cu, Ni, W, Mo, Au, Ag), тетрагональная реже (олово), гексагональная (Ti, Mg, Zn, Cd, Zr). 

 Кубическая  симгония:

 1) примитивная:  металлы не имеют такой решетки,  a=2R ( атомы соприкасаются, R – радиус атомов);

 2) ОЦК: большая  диагональ равна 4R;

 3) ГЦК: диагональ  равна 4R ( атомы на пересечении диагоналей каждой грани) .