для чего материаловедение нужно

Значение курса материаловедение.

Значение курса материаловедение.

Металлы. Основные признаки металлов.

Классификация металлов

Большинство элементов в периодической системе – металлы. Все эти металлы обладают самыми разными св-вами, однако по ряду признаков все металлы и их сплавы могут быть разбиты на несколько классов и групп. Прежде всего различают класс черных металлов и класс цветных. К черным металлам относят железо и ряд металлов похожих на железо по след. признакам: 1)высокая твердость и прочность; 2)высокая t плавления; 3)ферромагнетизм; 4)полиморфизм.

К этим металлам относят: марганец, кобальт, хром, никель. Все остальные цветные.

По комплексу эксплуатационных и потр. св-в. металлы и их сплавы делятся на следующие группы: 1)легкие (низкая плотность) (Al,Ti,Zn,Mg,Be) 2)Легкоплавкие(t плавления 1539)(W, Mo, V, Pt,Ti) 4)Благородные(высокая коррозионная стойкость) (Ag,Pt,Au) 5)Щелочно-земельные (высокая хим. активность) – I и II гр. 6)Редкоземельные (встречаются только в виде полиметаллов- лантаноиды) 7)Уравнение (склонность к радиоактивному распаду)- актиноиды.

Чистые металлы обладают не удовлетворительными мех. свойствами. Они либо очень мягкие и пластичные, либо твердые и хрупкие и по этому в качестве конструкционных материалов практически не используются. Основными констр. мат. явл. различные сплавы металлов др. с др. и с не металлами. Именно эти сложные вещ-ва могут иметь любые, сколь угодно сложные комплексы св-в требуемых в технике.

Механические св-ва и их классификация

Под мех свойствами подразумеваем реакцию материала под воздействием внешних механических сил. В зависимости от того как материал реагирует на это воздействие различают след. св-ва и соответствующие количественные характеристики этих свойств: 1)упругость – способность материала принимать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

σу- предел упругости

2)пластичность- способность материала изменять свою форму и размеры без разрушения.

ψ- относительное сужение

3)прочность – св-во материала сопротивляться разрушению

σвр- предел прочности

4)твердость- способность материала сопротивляться упругой деформации, пластической деформации или разрушению в поверхностном слое. Кол. характеристики мех. св-в в знач. степени опр. условиями их определения – схемой нагружения (раст-сж, изгиб, кручение) и законом изменения сил во времени. В зависимости от этого закона различают 3 варианта условий нагружения и соотв. испытаний мех. св-в материала.

Механические свойства, опр. при статических испытаниях.

Эти свойства определяются в условиях когда воздействующие силы неизменны или медленно изменяются во времени. Эти свойства определяются при статических испытаниях очень часто по схеме растяжения спец. образцов на испытательных (разрывных) машинах.

l₀,a₀,b₀-соответствующая нач. рабочая длина, нач. толщина, нач. ширина.

l_к,a_к,b_к-соотв. размеры после разрушения образца.

I участок линейной упругой деформации

Р_кр – усилие пропорц.

К-коэф. пропорц. (К=Е=tgα)

II участок нелинейной упругой деформации

III полка текучести

Определение количественных характеристических статических мех. св-в производится после обработки диаграммы растяжения и обмера разрушенного образца путем перехода от абс. показателей усилия и деформации к относ. по след. формулам:

σ=P/S – переход от усилия к напряжению

δ=Δ/l0 – переход от Δàδ

σпр=Pпр/S0, где S0=a0/b0

6.Твердость. Способы определения твердости.

Исследование мех. св-в мет. и сплавов обычно начинается с определения их твердости.

Преимущество этого вида испытаний:

1.Можно производить без разрушения исследуемого образца

3)Простота приборов и методик по сравнению с другими методами исследований.

4)Полученные результаты измерения твердости позволяют сделать выводы о других свойствах образцов, а так же предварительно сделать заключение о присутствии слоя химико-термической обработки.

В промышленности используются около 30 методов измерения твердости, однако можно выделить несколько основных: метод царапины, отскока, статического и динамического вдавливания. Оценки твердости исследуемых материалов полученные различными способами базирующимися на критериях, с различными физическим смыслом. Метод царапания характеризует сопротивление материала разрушению; твердость определяемая внедрением в материал более тела характеризует сопротивление пластической деформации. Твердость определяемая по высоте отскока наконечника или шарика от поверхности испытуемого образца характеризует упругие св-ва материала. Под твердостью понимаем св-в материала оказывает сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого более твердого тела, определенной формы и размера не получающий остаточную деформацию.

На практике применяются следующие способы измерения твердости

1)Вдавливание стального шарика (метод Бринелля) 2)Вдавливание алмазного конуса (метод Роквелла) 3)Вдавливание четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса)

Анизотропия в металлах.

Для идеальных кристаллов и монокристаллов характерно явление анизотропии, т.е. неоднородности св-в по различным направлениям. Это связано с разной плотностью расположения частиц в кристалле в различных направлениях и плоскостях. В обычных ме, которые в естественном состоянии явл. поликристаллами анизотропия на проявляется. Их называют квазинтрозотропными (видимо изотропными). Однако при некоторых технологических воздействиях (прокат, штамповка, ковка) в поликристаллах появляются предпостительная ориентировка структуры (текстуры) и сразу же возникает анизотропия. Это явление вредно и может быть устранено у поликристаллических материалов специальный термической обработкой – обжигом.

Полиморфизм металлов.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой β, а затем γ и т.д.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (при критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла – в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фаз, для того чтобы полиморфное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры. Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс и осущ. путем образования зародышей и последующего их роста.

Сплавы и их фазовые сплавы. Общие положения.

Сплавы могут быть однофазные и многофазные. В металлических сплавах встречаются следующие фазы:

Твердые растворы и их виды.

Твердый раствор- многокомпонентная фаза образующаяся при условии, что один компонент растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а другие компоненты теряют свою решетку и располагаются внутри кристаллической решетки растворителя. Основные признаки тв. растворов: 1.кристаллическая решетка и осн. св-ва тв. раствора передаются от компонента в растворитель 2. Тв. растворы всегда имеют первичный состав 3.Тв. растворы кристаллизируются (плавятся) в интервале t-p.

В зависимости от того, как атомы растворенного компонента располагаются внутри кристаллической решетки растворителя, различают тв. растворы замещения и тв. растворы внедрения. В тв. растворах замещения атомы растворенных компонентов замещают часть атомов растворителя в узлах кристаллической решетки. Эти растворы образуются когда атомные радиусы компонентов близки. Тв. растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость компонентов возникает при следующих условиях:

1)Атомные радиусы отличаются не >15%

2)В-ва – компоненты имеют одинаковые кристаллические решетки (изоморфны)

Твердые растворы внедрения возникают когда атомные радиусы компонентов очень сильно отличаются друг от друга. В этом случае растворимое вещ-во обладающее малым R располагается в межузельном пространстве (парах) внутри крст. решетки. Поскольку этих пар относительно немного, то твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость компонентов. В качестве растворимых вещ-в в этих растворах выступают вещ-ва с очень маленькими атомными радиусами: H, N, C, B.

Правило фаз.

Для проверки правильности полученных термокинетических кривых охлаждения, для решения обратной задачи построения этих кривых по уже известной диаграмме состояния а также для анализа фазовых состояний по диаграмме состояния используется правило фаз (Гиббса) которое устанавливает взаимосвязь между числом компонентов системы (сплава) число внешних переменных факторов, числом фаз находящихся в равновесии при данных условиях и числом степеней свободы системы.

с-степень свободы, т.е. число возможностей изменения внешних факторов

к- число компонентов системы (к=1 чистое вещ-во К>1 сплав)

в- число внешних переменных факторов (В=1 температура)

ф- число фаз находящихся в равновесии

с=0 – ни один внешний фактор не имеет право меняться. Система нонвариантная

с=1- без нарушения равновесия может меняться 1 фактор. Моновариантная

с=2,3,4… могут меняться 2,3,4 и т.д. факторов, при этом равновесие не будет меняться.

Учитывая то, что в большинстве случаев переменным фактором явл. только t, то правило фаз может быть упращено:

Правило концентраций

Это правило позволяет определить концентрацию компонента Б в каждой фазе в двухфазных областях диаграммы. Для этого через данную точку проводится горизонтальная прямая (конода) до пересечения с границами двухфазной области. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на ось концентрации дает концентрацию компонента Б в жидкости, а проекция точки пересечения с линией солидус- в твердом растворе.

Правило отрезков.

Это правило позволяет определить количественное соотношение фаз (в %) в двухфазных областях. Для этого также проводится конода abc и далее количество каждой фазы рассчитывается по следующим пропорциям ж=(ав/вс)*100%

Правило фаз, а также правило концентраций и правило отрезков позволяет однозначно расшифровать фазовый состав сплавов на любом сколь угодно сложных диаграммах состояния.

Значение курса материаловедение.

Источник

Материаловедение

Область профессиональной деятельности специалиста по направлению подготовки «Материаловедение и технологии материалов»

Абитуриентам и поступающим в магистратуру

Подготовка бакалавров 22.03.01 и магистрантов 22.04.01 по направлению «Материаловедение и технологии материалов» осуществляется с целью наиболее широкого охвата и глубокого изучения комплекса проблем, связанного с созданием и применением различных конструкционных материалов, а также технологий их получения и обработки. Данное направление, способное внести наибольший вклад в обеспечение безопасности страны, ускорение экономического роста, повышение конкурентоспособности страны за счет развития технологической базы экономики и наукоемких производств, входит в Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации.

Что представляет собой отрасль «Материаловедение»

На сегодняшний день отрасль «Материаловедение» играет важную роль в развитии научно-технического прогресса. Так получилось, что материаловедение способно охватить каждую область человеческой деятельности, что и делает ее весьма актуальной и востребованной в наше время новых технологий.

Евгений Николаевич, что представляет собой отрасль материаловедения сегодня?

Невозможно представить нашу жизнь без материалов. Получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень своего развития, научно-технический и экономический потенциал государства. Прогрессивные идеи многих ученых и инженеров по созданию новых машин долгое время не могли быть воплощены в жизнь из-за отсутствия соответствующих материалов с высокими физико-механическими свойствами. 20 век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники,. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

Особенно интенсивно развивается материаловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов периодической системы.

Сегодня в России имеется целый ряд известных во всем мире научных центров, занимающихся разработкой материалов, способных надежно работать в условиях различных воздействий. В них создаются все новые и новые материалы, которые выводят промышленное производство на новый уровень.

Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.

С какой сферой деятельности связана будущая профессия выпускников?

На сегодняшний день отрасль материаловедения представляет собой высокотехнологическую сферу деятельности. Материаловедение входит в перечень приоритетных направлений разработок во всех развитых странах мира и сама по себе является одной из наиболее востребованных отраслей.

Западная Сибирь является крупным центром общего, специального и транспортного машиностроения, приборостроения, строительной индустрии. Эти отрасли относятся к числу ведущих отраслей экономики г.Омска и вносят существенный вклад в занятость экономически активного населения. Промышленное производство является одной из наиболее динамично развивающихся сфер экономической деятельности Омского региона. Здесь расположено большое количество соответствующих предприятий, проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций, имеющих общероссийское и международное значение. Изготовление изделий методами давления, литья и сварки являются основой заготовительного производства любого предприятия. В тоже время проектирование рациональных и конкурентноспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения, которые являются важнейшим показателем образованности современного дипломированного специалиста.

Все это требует подготовки соответствующих специалистов машиностроительного профиля в том числе и материаловедов и обуславливает необходимость высококвалифицированных кадров для предприятий, организаций и НИИ.

Профессиональная деятельность выпускников машиностроительного института связана с технологическими процессами получения, обработки и переработки современных материалов; изучением их химического состава, фазового состояния; сертификацией материалов и покрытий, с технологическими процессами их получения, а также с обработкой и диагностикой оборудования. Уверен, что под руководством своих преподавателей и наставников наши студенты в полной мере овладевают научной специальностью и становятся профессионалами в своей области деятельности.

Основными потребителями бакалавров и магистров машиностроительного профиля являются крупные современные предприятия оборонных отраслей промышленности, такие как ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» ПО «Полет», ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (филиал «ОМО им. П.И. Баранова»), ФГУП ОмПО «Иртыш», ФГУП НИИД, ФГУП «Омсктрансмаш», ФГУП «Приборостроение», ОАО Омскагрегат, ООО НТК «Криогенная техника», ФГУП ОПЗ им. Козицкого, ОАО «Сибирские приборы и системы», ОАО «Сатурн»,ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения», ОАО «Машиностроительное конструкторское бюро», ООО «Моторостроительное конструкторское бюро», ФГУП «Центральное конструкторское бюро автоматики», ФГУП «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», а также предприятия других отраслей промышленности, такие как НПО «Мостовик», ОАО ОМУС-1, ООО «Литейно-механический завод», ООО «Омскэнергоремонт», ООО РМЗ «Сибнефть-ОНПЗ», ООО НТЦ «Транспорт», заводы сборного железобетона, ООО «Сибмонтажкомплект», ОАО «Высокие технологии», ОАО «Транссибнефть», ОАО «Нефтепроводстрой», ЗАО «Завод Сибгазстройдеталь» и многие другие.

Востребованность инженерных кадров по машиностроительным специальностям подтверждается заявками предприятий на целевую подготовку, в том числе в рамках Федерального целевого заказа для предприятий оборонно-промышленного комплекса (ОПК).

Что вы пожелаете нашим студентам?

Будьте активны, успешны и счастливы, дорогие друзья!

Источник

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИАЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ 1 страница

Материаловедение– наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук

Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).

Основные задачи материаловедения:

— раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;

— установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов;

— изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий;

— изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения;

— дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.

Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.

Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала

Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:

— правильно выбрать материал для изделия;

— назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств;

— оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов;

— определять опытным путем основные характеристики материалов.

Основную часть всех материалов составляют металлы.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т ® 0 К r ® 0, в то же время у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т ® 0 r ® ¥.

Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация металлов: а- черных; б- цветных

В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.

Плазма – ионизированный газ, в котором объёмные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов равны.

В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с другом и хаотически перемещаются в пространстве.

В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы друг от друга.

В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.

Переход между агрегатными состояниями сопровождается изменением свободной энергии:

где U – внутренняя энергия;

S = q / T – энтропия (связана с теплом).

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

— макроскопический или феноменологический;

— микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

— высокой тепло- и электропроводностью;

— положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

— термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

— хорошей отражательной способностью (блеском);

— способностью к пластической деформации;

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Рис.2.1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.2):

— объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.2а) с параметром

а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å

— гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.2б) с параметром

— гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.2в) с параметром

Рис. 2.2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б – объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Рис. 2.3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

2.1. Строение реальных кристаллов

Реальный кристалл состоит из скопления большого числа мелких кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Блочная структура кристалла: схема (а); реальная блочная структура в алюминии (б), наблюдаемая в электронном микроскопе на просвет, (х 35000)

Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков, кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики.

Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты – так называемые фрагменты. Фрагменты в свою очередь разориентированы относительно друг друга в несколько градусов. Зерна ориентированы случайно по отношению друг к другу. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Поверхность раздела зерен называется границей.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией, что приводит к изменению свойств металлов при различных процессах их обработки.

При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации, может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, который называют монокристаллом.

2.2. Дефекты кристаллического строения

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве:

1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами атома во всех измерениях.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).

Рис. 2.5.Точечные дефекты в кристаллической решетке: а- вакансия;

Стрелками указаны направления смещений атомов в решетке.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузию, спекание порошков и т. д.

2. Линейные. Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис.2.7)

Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Схема образования атмосферы Коттрелла в кристалле представлена на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Образование атмосферы Коттрелла: а – атомы примеси замещения (заштрихованы) и внедрения беспорядочно расположены в решетке; б, в – атомы примеси переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась.

3. Поверхностные (двумерные). Под этими дефектами понимают нарушения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.

4.Объемные (трехмерные). Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.

2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, разные металлы образуют разные виды кристаллической решетки:

— Al, Ca, Cu, Au, Pt – ГЦК;

— Mg, Zr, Hf, осмий – ГПУ.

Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемно-центрированного и гранецентрированного кубов, обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками.

Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями (таблица 2.1).

Аллотропические модификации металлов

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является одна модификация, а в другом – другая. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Механизм роста кристаллов новой фазы может быть нормальным кристаллизационным и мартенситным. Нормальный механизм роста – это зарождение новой фазы на границах зерен, блоков, фрагментов при малых степенях переохлаждения (Sn_a « Sn_b).

Мартенситный механизм реализуется при низких температурах и большой степени переохлаждения, при малой диффузионной подвижности атомов путем их сдвига (смещения) по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Новая фаза имеет форму игл и растет очень быстро (Co_a «Co_b).

Аллотропическое превращение сопровождается изменением свойств, объема и появлением внутренних напряжений.

3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

3.1. Энергетические условия процесса кристаллизации

В зависимости от температуры любое вещество (система) может быть в твердом, жидком или в газообразном состояниях. В физической химии системой называют совокупность индивидуальных веществ (химические элементы, независимые химические соединения), между которыми или частями которых обеспечена возможность обмена энергией, а также процессов диффузии.

Вещества, которые образуют систему, называются компонентами системы. Компоненты в системе присутствуют в разных фазах.

Фазой называется однородная часть системы, ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы, называется кристаллизацией.

Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией (F ), называемой свободной энергией, которая определяется:

где U – внутренняя энергия системы;

Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше.

С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и твердого состояний (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры

Выше температуры Т_s меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T_s – вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше T_s вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже T_s – в твердом, кристаллическом.

Очевидно, что при температуре, равной T_s свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура T_s и есть равновесная или теоретическаятемпература кристаллизации. Однако, при T_s F_ж = F_кр, и процесс кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве свободных энергий обеих фаз плавление (кристаллизация) не будут сопровождаться уменьшением свободной энергии.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Их кривых (рис. 3.1) видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки T_s.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже температуры кристаллизации называется переохлаждением.

Обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры T_s, это явление называется перенагреванием.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кривые охлаждения, полученные при кристаллизации металла

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния. При достижении температур кристаллизации на кривой температура – время появляются горизонтальные площадки (рис.3.2), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации.

3.2. Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Модель кристаллизации металла в первые 7 секунд охлаждения представлена схемой процесса кристаллизации (рис.3.3) и кинетической кривой кристаллизации (рис.3.4).

Рис. 3.3. Схема процесса кристаллизации

Рис. 3.4. Кинетическая кривая кристаллизации

Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис.3.5).

Рис. 3.5. Зависимость скорости кристаллизации (СК) и скорости зарождения центров кристаллизации (ЧЦ) от степени переохлаждения

Величины оптимального переохлаждения до достижения максимальной скорости кристаллизации (СК) и до образования максимального числа центров кристаллизации (ЧЦ) не совпадают.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения СК и ЧЦ. При большом значении СК и малом значении ЧЦ образуется мало крупных кристаллов. При малых значениях СК и больших ЧЦ образуется большое число мелких кристаллов.

Размер зерна определяется по формуле

где N – размер зерна;

СК – скорость кристаллизации;

ЧЦ – число центров кристаллизации

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша.

3.3. Аморфное состояние металлов

В соответствии с кривыми зависимости скорости кристаллизации и скорости зарождения центров кристаллизации от степени переохлаждения (рис. 3.5), при сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (> 10 6 о С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов, жидкость сохраняется не превращенной, не закристаллизовавшейся. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлическиестекла.

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 13644 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник