Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах

Материаловедение:

1. Атомно-кристаллическая строение металлов. Типы кристаллических решёток и металлах и их основные характеристики. Полиморфизм. Анизотропия. + 2. Виды дефектов в кристаллах и их влияние на свойства металлов. Теоретическая и реальная прочность кристаллов, пути повышения прочности металлов.

Полиморфи́зм криста́ллов (от др.-греч. πολύμορφος «многообразный») — способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями (их принято обозначать греческими буквами α, β, γ и т. д.)

Характерен для различных классов веществ. Полиморфизм для простых веществ называют аллотропией.

Частный случай полиморфизма, характерный для соединений со слоистой структурой — политипи́зм (политипи́я). Такие модификации, политипы, отличаются между собой лишь порядком чередования атомных слоёв.

Анизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных

металлических материалов.

В большинстве случаев техника использует кристаллические материалы. Субструктура материала - кристаллическое строение наряду с химическим составом определяет все свойства. В реальных металлах кристаллы выпадают из расплавов при охлаждении и создаются физико-химическими процессами при нагреве твердого тела.

Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах
пересечения кристаллических плоскостей. Все пространство кристалла можно разбить на
элементарные ячейки. Повторяя в пространстве элементарную ячейку, можно описать весь
кристалл. Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого
располагаются атомы. Основные типы кристаллических решеток металлов:

объемоцентрированная кубическая (О.Ц.К.); гранецентрированная кубическая (Г.Ц.К.).; гексоганальная плотноупакованная (Г.П.У.) рис.1.

Кристаллические решетки характеризуются параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом или количеством атомов, приходящимся на одну ячейку, энергией решетки, плотностью упаковки атомов и др..

 

1.1 1.2 1.3

Рисунок 1. Типы кристаллических решеток. (1.1 - объемоцентрированная кубическая ОЦК;

1.2 - гранецентрированная кубическая плотноупакованная ГЦК; 1.3 - гексоганальная
плотноупакованная решетка ГПУ).

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов.

Координационное число - количество атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от

любого атома в решетке. Атомный радиус (половина атомного диаметра) - половина

межатомного расстояния между центрами ближайших атомов.

Металлы имеют плотную упаковку атомов, т.е. высокие координационные числа и большое

количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, многие свойства

кристалла анизотропны. Металлы и другие элементы и вещества имеют полиморфные

превращения. Кристаллическая структура изменяется в зависимости от температуры. Например, кристаллическая решетка железа в интервале температур от 0 до 910 град С - ОЦК (Fe -а); от 910 до 1400 град С - ГЦК (Fe-y); от 1400 до 1539 град С (плавление) - ОЦК (Fe-a или Fe-5).

Реальные металлы являются поликристаллическими веществами. Размеры зерен (кристаллов) колеблются в широких пределах от долей микрона до нескольких миллиметров. В приведенных выше примерах рассматривались идеальные кристаллические решетки. Особенностью строения реальных металлических материалов является наличие искажений и дефектов кристаллического строения, вызванное действием температурных, электромагнитных и иных полей, а т .ж. механическими напряжениями. Наибольшее число дефектов возникает при первичной кристаллизации расплава или при пластической деформации твердого тела. Кристаллические дефекты разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Источниками дефектов являются прежде всего примеси. Например, если в алюминии содержится 0.001% (10-5) примеси кремния, то в 1 мм. куб. будет 6*10Е14 посторонних атомов. Атомы примесей искажают кристаллические решетки. Примеси могут располагаться в виде отдельных атомов, скоплений по поверхностям или в определенных объемах. Рис 2.1. Другим источником дефектов являются тепловые колебания атомов. Среднее значение амплитуды тепловых колебаний равно 5-10% межатомного расстояния, но энергия тепловых колебаний в решетке распределена неравномерно. Колебания атомов тоже различны. Если на поверхности атом обладает энергией, необходимой для испарения, он может выйти из кристаллической решетки. Образуется дефект, который называется вакансией. Рис 2.2.. Число вакансий в решетке кристалла определяется зависимостью:

-Q/(K*T)

Ni=N*e , (2)

где N - общее число атомов; e = 2.71828; K = R/N; Q энергия активации; T - температура. Например, для кадмия при 300 град. С K*T = 600 Kкал/моль, N=10E22 Cm E-3, Q

= 23000 Kкал/моль, а число вакансий Nl=10 E-4 Cm E-3, а при температуре плавления кадмия число вакансий превышает 1%. Образование дислоцированных атомов (рис. 2.3.) требует большей энергии активации, поэтому количество таких дефектов меньше, преимущественно они возникают при облучении кристаллов.

 

рис.2. Точечные дефекты кристаллических решеток. 2.1. - примесный атом; 2.2. - вакансия (дефект Шоттки); 2.3. - дислоцированный атом (дефект Френкеля).

Вакансии имеют большое значение особенно для протекания диффузии, создают условия для повышения пластичности металла при низких температурах.

Реальные кристаллы разделены на фрагменты и блоки (мозаичная структура). Поверхности кристаллов (границы зерен), границы фрагментов и блоков являются местом скопления всевозможных дефектов и местом их возникновения Рис 3. Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокации бывают линейными (краевыми), представляющие собой край экстра - плоскости (полуплоскости) рис 4.1., рис 4.2.; и винтовыми рис. 4.3..

 

Рис. 3. Мозаичная Рис. 4.1. Дислокация Рис. 4.2. и Рис.4.3. Краевая и структура кристалла. на границе блоков. винтовая дислокации.

Дефекты влияют на структурночувствительные свойства. Например, наличие дислокаций изменяет прочность металлов. Теоретический подсчет предела упругости дает величину, превышающую реальную в 1000 раз (10 Е5 и 100 МПа) для чистых металлов и в 100 раз для сталей. Бездефектные кристаллические металлические и керамические материалы в виде волокон и НК (нитевидных кристаллов) применяются как арматура - фаза упрочнитель конструкционных композитов. Рис. 5..

 

В настоящее время разработана дислокационная теория, объясняющая механизмы пластической деформации и причины разрушения металлов, их упрочнения при обработке давлением и иных технологических способах.

Способы повышения качества стали

 

Улучшить качество металла можно уменьшением в нём вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т. д.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений.

Вакуумирование стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу.

Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочны сталей.

Схема электрошлакового переплава представлена на рис.3.5.

Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700?C и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, Высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 тонн

3. Процесс кристаллизации. Строение и дефекты металлического слитка. Структура пластически деформированного металла и его свойства. Рекристаллизация и изменение механических характеристик.

Кристаллизацией называется переход из жидкого в твердое состояние с образованием кристаллических решеток или кристаллов. В реальных металлических телах кристаллизация расплавов заканчивается образованием структуры сложно переплетенных кристаллов -дендритов. Их морфология определяет свойства материалов. При образовании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка. в свою очередь на них растут оси третьего порядка и т.д. Образуются кристаллы древовидной -дендритной формы. Преимущественный рост кристалла происходит в направлении отвода тепла. Ветви дендритов разделены очень тонкими прослойками нерастворимых в жидком и особенно в твердом состоянии примесей и мельчайшими полостями и порами, возникшими в результате уменьшения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое. При tпл, определенной для каждого металла, твердый металл переходит в жидкий. Многие свойства при этом меняются незначительно. Например, плотность падает на 5-7% , электропроводность и теплопроводность возрастают. Характер внутренних сил не изменяется. Металлическая жидкость по своему строению близка к твердому телу. Кристаллическая решетка сохраняется до температуры плавления. После расплавления решетка разрушается, но сохраняется динамический ближний порядок. Затвердевание происходит при температуре tзатв, она меньше tпл. Существует переохлаждение и перенагрев рис. 6.

 

Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8.

Рис. 6. Изменение свободной энергии F металла в жидком (F ж) и твердом состоянии (F т) в зависимости от температуры T.

Рис. 7. Кривые охлаждения полученные при кристаллизации металла.

Рис. 8. Зависимость скорости образования центров n и скорости роста кристаллов С от переохлаждения.

При температуре Тп величины свободных энергий жидкого и твердого состояния равны. Процесс кристаллизации протекает при температуре, меньшей Тп. Для начала затвердевания необходимо переохлаждение (разность энергий). Переохлаждение тем больше, чем больше скорость изменения температуры рис. 7.. В 1878 году русский ученый - металлург Д.К. Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров (скорость - n в сек -1* см-3) и роста кристаллов (скорость С в см*сек - 1). Установлено, что n и С зависят от переохлаждения рис. 8. Это определяет размер зерен : 3/4

N = a * (C / n) (3)

N - размер зерна ; коэффициент “а” приблизительно равен 1.

Практически кривые n и С располагаются друг относительно друга таким образом, что, чем больше переохлаждение, тем мельче получаются кристаллы, или чем больше скорость охлаждения, тем мельче кристаллы. Ниспадающие ветви кривых экспериментально не наблюдаются, поэтому проведены пунктирными линиями. Критический размер зародыша первичного кристалла находится из выражения:

Rk = (4*a) /AfD (4)

где а - поверхностное натяжение; A fО - разность объемных свободных энергий жидкого и твердого металлов.

ПРИМЕЧАНИЕ: Ф.4. справедлива для небольших значений AT

На образование зародыша требуется энергия, равная одной трети его поверхностной энергии.

Уменьшение объемной свободной энергии при переходе атомов в кристаллическое тело

недостаточно для образования зародыша. Образованию зародыша способствует неравномерное

распределение энергии между атомами - флюктуации.

При температуре близкой к Тпл , размер критического зародыша должен быть очень велик и

вероятность его образования мала. С увеличением степени переохлаждения Afu возрастает (см.

рис. 6), а поверхностное натяжение на границе раздела фаз изменяется не значительно. Чем

больше AT, тем меньше Rk, тоже самое для G. При небольшой степени переохлаждения

(малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное

зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает и

размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна влияет на свойства, особенно на вязкость, которая значительно выше у металлов с

мелким зерном.

Применение правила фаз.

Металлические материалы применяемые в технике в большинстве случаев являются сплавами. Сплавом называют вещество, полученное сплавлением нескольких (двух и более) элементов, преимущественно металлических. Строение сплавов более сложно, чем строение чистого металла. В сплаве могут наблюдаться зерна чистых металлов и других компонентов, твердых растворов и химических соединений. Твердыми растворами называют сплав, у которого ионы растворенного элемента расположены в кристаллической решетке растворителя. Твердые растворы разделяются на три типа: замещения, внедрения и вычитания, или твердые растворы на базе химических соединений. Существуют также упорядоченные твердые растворы.

Совокупность всех сплавов, которые могут быть составлены из заданных компонентов, называют системой сплавов.

Фазой называется однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделяющееся от остальных частей системы поверхностями раздела. Фазы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. В сплаве могут присутствовать несколько фаз. Вещества, образующие систему, называются компонентами. Число степеней свободы (вариантность) системы это число внешних и внутренних факторов (t, P и концентрация С%), которые можно изменять, не изменяя число фаз в системе. Оно определяется правилом фаз:

f = n - K + 2 (5)

где f - число степеней свободы; n - число компонентов; K - число фаз. Если давление не учитывать: f = n - K + 1

Правило фаз применяется при анализе процессов, совершающихся в сплавах при нагреве и охлаждении для расчета числа фаз в конкретных термодинамических условиях.

_ I Применим правило фаз для четырех точек

**^ ^ ^ однокомпонетного сппава: f = n-k+1

1. f = 1 -1 +1 =1 - это значит, что ситема оноварнантна; мы можем изменить температуру - сплав останется жидким. 2иЗЛ = 1-2 + 1=0- система безвариантна - любое изменение вызовет изменение числа фаз.

X

Рис. 9. Иллюстрация к применению правила фаз.

Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла.

Кристаллизация происходит с образованием теплового эффекта. От его величины зависит размер зерна.

Rk = [ 4 * σ * Ts / Q] / ∆Τ (6)

где Q - тепловой эффект затвердевания на единицу объема; Ts - температура затвердевания. Выражение справедливо для гомогенной кристаллизации. Теоретическое число центров кристаллизации значительно ниже числа реально образующихся зародышей. Это связано с присутствием примесей в расплавах. На примесях происходит гетерогенная кристаллизация. Схема кристаллизации на примеси показана на рис. 10.

 

Рис. 10. Схема кристаллизации на примеси. На рис. б1- поверхностное натяжение примеси; б2- поверхностное натяжение затвердевшего металла; б3- поверхностное натяжение металла расплава.

Рост кристалла происходит послойным присоединением атомов к зародышу. Обычно б1 больше б2 и -б1+б2 меньше нуля, т.е. с точки зрения энергетики процесса, кристаллизация на примесях более выгодна, чем спонтанная кристаллизация. В реальных процессах примеси являются основными центрами кристаллизации. При перегреве расплавленного металла одна часть примесей расплавляется, другая дезактивируется. Изменить число центров и размер зерна можно четырьмя методами:

- изменить скорость охлаждения и тем самым величину переохлаждения;

- увеличить или уменьшить перегрев металла перед разливкой;

- ввести в жидкий металл мельчайшие нерастворимые примеси;

- уменьшить путем добавки активных растворимых примесей поверхностное натяжение. Последние два метода осуществляются при модификации , соответственно гетерогенной и гомогенной. Модифицирование осуществляют введением специальных добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды и оксиды).

Процесс кристаллизации начинается от стенок формы, которые играют туже роль, что и нерастворимые примеси. На поверхности слитков образуется труднообрабатываемый слой из мелких кристаллов, который удаляют в металлургическом переделе (см. лаб. раб. №1).

Материалы аморфного строения и их применение.

К материалам аморфного строения принадлежат стекла из неорганических веществ, металлов и ряд пластмасс. Аморфное состояние характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов упаковки.

Наибольший применение у неорганических стекол. Основной химический состав конструкционных стекол: двуокись кремния и алюминия с добавками ангидридов бора, фосфора и двуокисей металлов - титана, ванадия и циркония. Среди машиностроительных материалов наибольшее применение получили безосколочные, тугоплавкие, термостойкие и упрочненные стекла. Неорганическое стекло, получаемое при застывании минерального расплава в результате непрерывного увеличения его вязкости, в отличии от других материалов имеет макроскопическое изотропное аморфное строение, в той или иной мере прозрачно и обладает механическими свойствами твердого тела. Тонкое исследование строения стекол свидетельствует о их микронеоднородной структуре. Стекло по сравнению с кристаллическим веществом не имеет определенной точки плавления; будучи нагретым, оно постепенно размягчается, переходя из твердого хрупкого состояния в высоковязкое, и затем в жидкое (стекломассу). При понижении температуры вязкость стекла непрерывно возрастает и происходит обратный переход в твердое хрупкое состояние.

Л Е	Ш ш
	Tg Tf Т

Tg- температура стеклования Tf - температура перехода в

жидкое состояние Л -вязкость J7 - удельный о бъ ем или

теплоемкость

Рис. 11. Зависимость свойств стекла от температуры.

В интервале температур Tg - Tf свойства стекла скачкообразно изменяются. Стекло относится к термодинамически неустойчивым системам. При температуре Tg стекло склонно к кристаллизации.

Металлические стекла по химическому составу состоят из металлов и элементов аморфитизаторов, в качестве которых используют бор, углерод, кремний, азот и другие в

количестве до 30%. Аморфное состояние металла достигается сверхбыстрым охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния. Основным методом получения МС является закалка из жидкого состояния, фиксирующая структуру расплава. Особенностью МС является сочетание высокой твердости и прочности, наряду с высокими упругими свойствами. Например, у обычных стекол крайне высокая твердость и относительно низкая прочность. МС можно штамповать, резать и прокатывать. Аморфное состояние МС является метастабильным. При температурах отжига, превышающей (0.4-0.65) Тпл материал кристаллизуется. Пластические массы в большинстве случаев аморфные тела. Изменение свойств с температурой происходит также как у неорганических стекол рис.11. Существует три различных аморфных состояния - стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее; и две температуры, при которых свойства пластмасс резко изменяются. Тс - температура стеклования и выше ее температура вязкотекучего состояния -Тт. Пластические массы кристаллизуются при длительных отжигах и деформационных процессах по механизму ориентации полимерных цепей и или звеньев в одной плоскости или направлении.

Аморфные материалы являются перспективными машиностроительными материалами. МС применяются для изготовления пружин. Стекла - для изделий с оптическими свойствами. Пластические массы как конструкционные материалы. Применение аморфных материалов в основном сдерживается их узким и низким температурным интервалом эксплуатации.

Полиморфные превращения в металлах.

Металлы и сплавы в зависимости от температуры могут сосуществовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую. Полиморфное превращение происходит в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим уровнем свободной энергии. На рис. 12 показана кривая охлаждения чистого железа и полиморфные превращения в металле.

 

1539		жидкость	Координаци­онное чито	Пара­метр аА
1390 s	решетка ОЦК	К8(5)	2,93
	У 910	решетка ГЦ К	К12	3,64
магнитн	ое 1770 ^	решетка ОЦК	К8	2,88
превращение а	решетка ОЦК	К8	2,88

X

Рис. 12. Кривая охлаждения чистого металла (железа).

Полиморфное превращение - кристаллизационный процесс и осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста. Образование зародышей идет с соблюдением принципа структурного и размерного соответствия. Рост зерен новой фазы происходит путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов отдельных атомов (группы атомов) через мажфазную границу. В результате граница новых зерен передвигается в сторону исходных, поглощая их. Зародыши новой фазы возникают по границам старых зерен или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии.

Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации. В результате полиморфного превращения образуются новые зерна, имеющие другой размер и форму. Происходит скачкообразное изменение свойств материала. Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это явление используется в практике термической обработки металлов.

Жидкие кристаллы.

Жидкокристаллическое состояние - это термодинамически устойчивое агрегатное состояние состояние, при котором вещество сохраняет анизитропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Существует ряд соединений, преимущественно органических, обладающих таким комплексом свойств. Например, сложные ароматические эфиры - производные транс-циклогексана, фенилбензоаты; азотметины; азосединения и т.п..

Жидкие кристаллы обладают аллотропическими превращениями, которые не изменяют их жидкого состояния. Превращения наблюдаются при воздействии электромагнитного поля, изменения температуры и давления, и других физических воздействиях. Свойства их также как и у твердых тел скачкообразно изменяются. Жидкие кристаллы используются как оптоэлектронные индикаторы, и материалы комбинированных стеклянных конструкций, где требуется резкое изменение оптических свойств системы, при внешних воздействиях. Жидкокристаллическое состояние и его уникальные свойства обусловлены способностью некоторых органических молекул, агрегатироваться с другими молекулами, частично создавая упорядоченные структуры - сенергировать. По своей практической значимости особое место занимают нематические жидкие кристаллы, отличающиеся от прочих типов жидких кристаллов одноосной упорядоченностью, при которой молекулы выстраиваются таким образом, что их длинные оси параллельны друг другу.

4. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов, их построение, расшифровка.

Строение и свойства типовых двухкомпонентных сплавов определяются типом твердого раствора. При образовании твердых растворов электрическое сопротивление, твердость возрастают, а теплопроводность, пластичность - обычно падают. Рассмотрим наиболее важные из них. Твердый раствор внедрения. Чем больше поры и меньше атом внедрения, тем легче само внедрение. Рис. 13. Твердый раствор замещения. Он может быть ограниченным и неограниченным. Последние образуются у изоморфных металлов, незначительно отличающихся по размерам атомных радиусов (8-10%), близких к друг другу в таблице Д.И. Менделеева. Чем больше разница в элементах, тем меньше растворимость. Рис. 14. Неупорядоченные и упорядоченные твердые растворы. В обычных твердых растворах атомы растворенного элемента располагаются в решетке растворителя беспорядочно. При определенных условиях - медленном охлаждении, способствующем диффузии, атомы занимают определенные места в решетке растворителя. Процесс называют упорядочением. Рис. 15.1. и 15.2. Если два компонента не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не образуют химического соединения, создается механическая смесь. Сплав будет состоять из кристаллов каждого компонента. Рис. 16. Твердые растворы на базе химического соединения. Рис.17. Здесь сохраняется решетка соединения, при этом часть атомов решетки растворителя заменяется атомами растворяющегося элемента или возникают не занятые узлы (растворы вычитания). В сплавах существуют электронные соединения - фазы Юм-Розери, Лавеса и внедрения.

 

Электронные соединения - фазы Юм-Розери образуются между металлами из следующих основных групп: Cu, Ag, Au, Fe, Pd, Pt, c одной стороны , и Be, Zn Cd, Al, Sn, Si - с другой. Характеризуются определенным соотношением валентных электронов к числу атомов(3/2 -ОЦК -Рфаза; 21/13- сложная кубическая ячейка с 52 атомами на ячейку у- фаза и 7/4 -гексагональная решетка е- фаза), причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Фазы Лавеса - устойчивые химические соединения с ионным типом связей образуются преимущественно между элементами различной природы и с существенно различными атомными размерами. Если атомные размеры различаются мало, то появляется тенденция к образованию электронных соединений. Эти фазы со стехеометрической формулой АВ2 образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся приблизительно в соотношении 1:1.2. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах. Фазы внедрения образуют металлы переходных групп с металлоидами, имеющими малый атомный радиус (водород,

азот, углерод), если их обратное отношение радиусов, меньше 0.59. Эти фазы удовлетворяют условиям характеризующим, химическое соединение (М4Х, М2 Х и МХ). Карбиды и нитриды, встречающиеся в стали являются фазами внедрения.

Понятие о физико-химическом анализе.

 

Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов

В твердом состоянии.

  Рис. 19. Построение диаграммы состояния Cu-Ni по термическим кривым. На рис. L… В интервале температур ab выпадают кристаллы твердого раствора переменной концентрации. Состав выпадающих кристаллов…

Применение правила отрезков.

a = [ ( t1m ) / ( mn) ] * 100 % (7) Ж = [ ( t1n ) / ( mn ) ] * 100 % (8) Правило отрезков применимо не только к кристаллизующимся сплавам, но вообще ко…

Внутрикристаллическая ликвация.

5. Диаграмма состояния железо-цемментит.

Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов.

Структурными составляющими диаграммы железо - углерод являются: 1. Феррит (название введено по Хоу). Может содержать в твердом растворе… 2. Перлит. Эвтектоид, состоящий из α - твердого раствора и Fe3C (ниже точки S). Мелкодисперсная смесь обеих фаз.…

Превращение стали при нагреве

  При нагреве, происходит изменение структуры. Чтобы структура аустенита…  

Превращение стали при охлаждении

Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом. Углерод диффундирует в сплаве, скапливается в определённых местах, и в…   Превращение аустенита может происходить при непрерывном охлаждении, так и при выдержке (при постоянной температуре)…

Оборудование для термической обработки

  § Камерные печи. Детали помещаются в то же пространство, через которые…  

Отжиг и нормализация стали

Три операции: 1. Нагрев стали выше критической точки на 20-30 градусов. 2. Выдержка для завершения всех структурных и фазовых превращений.

Закалка

В результате закалки получают структуру мартенсита, сталь становится твёрдой. Закалку используют для конструкционных и инструментальных сталей.  

Классификация стали по назначению

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали

Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.

Автоматные стали

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот. Коррозионностойкие стали и…

Коррозионно-стойкие стали

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из…  

Алюминиевые сплавы

Магний снижает плотность алюминиевых сплавов, увеличивает прочность, при этом сохраняя пластичность. К наиболее распространенным сплавам относят дюралюминий (Д1, Д2, Д3… Д16).… Для литья применяют сплавы алюминия с большим содержанием кремния – силумины (АЛ1 … АЛ8). Их упрочняют термической…

Закалка и старение алюминиевых сплавов

Температурная обработка представляет собой температурную обработку алюминиевых сплавов. С учетом того, что алюминий имеет несколько фаз (полиморфизм), можно проводить закалку.

 

Латуни

Это медные сплавы с содержанием цинка до 45%. Цинк повышает прочность, пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладают сплавы с содержанием цинка 30%.

Разные фазы:

1. обладает максимальной прочностью,

2. весьма хрупкая

Л – латунь.

Пример: ЛС59, то латунь, 40% цинка, 1% свинца, медь 59%.

В латунь также добавляют олово, делая латунь ещё более коррозионностойкой, особенно в морской воде.

Алюминий и никель повышают механическое свойства латуни.

 

Бронзы

Бронзы – сплавы, на основе системы медь и олово. Обладают высокими литейными свойствами. Малая усадка, всего 1%. Не даёт усадочной раковины. Главное применение бронзы – сложные отливки (вкладыши подшипников).

 

Бронзы, содержащие более 6% олова, не прокатываются и не куются. Только для литья готовых изделий.

Бронза с 10% олова – лучший материал для подшипников.

 

Также проводится легирование бронз. Для улучшения механических свойств добавляют алюминий и кремний. Для улучшения химических свойств – алюминий. Для улучшения литейных свойства – кремний и цинк. Антифрикционные свойства получают при добавлении свинца. Для твердости – бериллий. Фосфор – раскислитель.

 

Магний и его сплавы

Магний обладает наименьшей плотностью ( , но обладает малой пластичностью и прочностью, подвержен коррозии. Потому часто используют сплавы с алюминием, чем-то ещё.

Используют закалку.

 

Сплавы магния делятся на деформируемые (МА1…МА10) и литейные (МЛ1…МЛ12). Обладают достаточной прочностью, но небольшим линейным коэффициентом расширения.

 

Бериллий

Обычную термическую обработку проводят для снятия внутренних напряжений примерно при 600 . Бериллий обладает полиморфным превращением при , но… Наличие кислорода улучшает его свойства (для большинства металлов – наоборот).… Наибольшее распространение получил сплав бериллий с медью (4-5%). Медь устраняет ярко выраженную анизотропию.

Титан

Титан обладает низкой плотностью ( ), высокой прочностью, коррозионной стойкостью. Титан является технологичным металлом: хорошо деформируется и сваривается, обладает полиморфными превращениями ( .

Легирующими веществами являются кислород, углерод, алюминий и азот. Это расширяет альфа область. Вольфрам, и кто-то там ещё в бета области.

 

Титановые сплавы разделяют на

1. не охрупчиваются при термической обработке

2. наиболее пластичные сплавы, но менее прочные.

3. более прочные, чем однофазные, хорошо деформируются, обрабатываются термическими методами (закалка), слабо охрупчиваются.

Обозначаются титановые сплавы ВТ1, ВТ4, ВТ6, ВТ8.

 

11. Электротехнические материалы. Классификация, маркировка, назначение. Свойства и применение.

 

Магнитные стали и сплавы разделяются на две группы: магнитнотвердые и магнитномягкие. Первые характеризуются большим значением коэрцетивной силы (Нс) и применяются для постоянных магнитов, вторые обладают низким значением Нс и малыми потерями на гистерезис (перемагничивание), применяются для сердечников трансформаторов и магнитопроводов. Природу магнитных явлений объясняет теория доменов. Магнитнотвердые стали и сплавы разделяют:

- углеродистые стали. У10 - У12, которые после закалки имеют Нс = 60 ... 65 Э.

- хромистые стали. (1 % С и 1.5 ... 3 % Cr). Приблизительно те же свойства.

- кобальтовые стали (легированные дополнительно 15 % Со). Нс = 100 ... 170 Э.

- сплавы Fe - Ni - Al (11 - 14 % Al, 22 - 34 % Ni, ост. Fe)- альнико или ЮНДК. Нс = 400 ... 500 Э. Сплавы альнико изготавливают методами порошковой металлургии. Высокие магнитные свойства получают, используя дисперсионнотвердеющие системы сплавов типа Fe - V - Co, Fe -Mo - Co. Однако кобальт и молибден являются остродефицитными металлами. Среди магнитных сталей широкое распространение получили марки ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 ГОСТ 6862 - 71.

Магнитномягкие материалы разделяются на:

- техническое железо (очищенное от углерода и примесей). Нс = 0.01 ... 1 Э.

- электротехническая сталь. Здесь высокая магнитная проницаемость и низкая Нс обеспечена легированием Si до 3% и специальной прокаткой и рекристаллизационными отжигами, позволяющими получить крупное ферритное зерно. Прокатка т.ж. создает текстуру (ориентирует зерна в направлении максимальной магнитной проницаемости). Текстурованная сталь называется трансформаторной, а нетекстурованная - динамной. В динамной стали нет анизотропии свойств и ее применяют для изготовления деталей электродвигателей переменного тока. Марки электротехнических сталей Э11, Э12 .. Э1200 ГОСТ 21473 - 75. Первая цифра - содержание кремния, вторая уровень электротехнических свойств, “00“ -холоднокатанная слаботекстурованная.

- железоникелевые сплавы (пермалои) Ni около 78.5 %. Они имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость, в 10 раз больше чистого Fe, что позволяет их использовать для работы в очень слабых магнитных полях (радио, телеметрия и т.п.). Кроме пермалоев применяют гайперники - 45 - 50 % Ni. Их преимущество в том, что они не требуют высокотемпературного нагрева в среде водорода, хотя уступают пермалоям.

К магнитномягким материалам принадлежат: альсиферы (Al - Si - Fe), перминвары (Ni - Co), термалой (легирование до 30 % Cu), порошковые сплавы Fe - P, Fe - Si. Магнитомягкие материалы изготавливаются преимущественно порошковой металлургией. Особую группу образуют немагнитные стали, которые заменяют цветные металлы и обладают высокой конструкционной прочностью 55Г9Н9Х3 и 45Г17Ю3 (аустенитная структура).

Электротехнические сплавы.

12. Классификация полимерных материалов. Термопластичные и термореактивные пластмассы: их свойства и применение. Полимеры (греч. πολύ- — много;… Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если…

Испытание на растяжение при комнатной температуре.

Для получения удельных механических характеристик данного материала, не зависящих от размеров образцов, диаграмма деформации при растяжении строится… σ=P/F0; ε=l/l0100% где Р - растягивающая сила, Н; F0 - исходная площадь поперечного сечения образца, мм2; l- абсолютное удлинение, мм; …

Химические свойства металлов

Химическим разрушением металла под действием окружающей среды называется коррозия металлов. 2. Жаростойкость — стойкость металлов к окислению при сильном нагреве. 3. Жароупорность — способность металлов сохранять в условиях высоких температур свою структуру (не размягчаться и не…

Механические свойства металлов

Зависят от: 1. Структуры 2. Способа обработки

Химико-термическая обработка

1) Азот 2) Углерод 3) Алюминий