Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Ответы по материаловедению (Маркелов) - файл 1-15.doc


Ответы по материаловедению (Маркелов)
скачать (516.8 kb.)

Доступные файлы (4):

1-15.doc272kb.22.12.2008 23:28скачать
16-30.doc1662kb.15.01.2008 15:12скачать
31-45.doc165kb.15.01.2008 21:04скачать
45-57.doc82kb.16.01.2008 17:19скачать

содержание
Загрузка...

1-15.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
ВОПРОСЫ

Для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению.
1. понятие о металлах. Природа металлической связи. Основные свойства металлов. Роль русских ученых в развитии науки о металлах.

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

3. кристаллизация металлов. Изменение свободной энергии при кристаллизации. критический зародыш.

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

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

6. явление полиморфизма в металлах.

7. строение реальных кристаллов. Большеугловые и малоугловые границы.

8. дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

9. Роль дислокации в упрочнения металлов. Способы повышения прочности металлов и сплавов.

10. понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств.

11. возврат, полигонизация и рекристаллизация металлов и сплавов.

12. строение сплавов. Система, компонент, фаза.

13. понятие о гетерогенной структуре, твердом растворе и химическом соединении. Виды твердых растворов.

14. правило фаз Гиббса и правило отрезков.

15. построение диаграмм состояния сплавов. Критические точки. Изотермы свободной энергии.

16. диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Дендритная ликвация.

17. диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компанентов в твердом состоянии и эвтектикой.

18. диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения.

19. связь между типом диаграммы состояния и свойствами сплава.

20. упругая и пластическая деформации. Механизмы пластической деформации. Системы скольжения.

21. горячая деформация слитка. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства металла.

22. деформационное упрочнение поликристаллов.

23. компоненты, фазы и структурные составляющие в системе Fe-C (Fe-Fe3C).

24. диаграмма состояния Fe-Fe3C (стали).

25. диаграмма состояния Fe-Fe3C (чугуны).

26. примеси в стали и влияние их на свойства стали.

27. классификация сталей по содержанию углерода, назначению и качеству.

28. классификация чугунов. Влияние формы выделений графита на свойства чугунов.

29. сверхпластичность металлов и сплавов.

30. механические свойства, определяемые при статических, динамических и циклических испытаниях.

31. классификация видов термической обработки по А.А.Бочвару.

32. превращения в стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали.

33. превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита. =)

34. превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Обработка холодом.

35. технология термической обработки. Отжиг, нормализация и закалка.

36. закаливаемость и прокаливаемость. Способы закалки. Охлаждающие среды. Дефекты закалки.

37. химико-термическая обработка. Цементация и азотирование.

38. химико-термическая обработка. Нитроцементация и цианирование. Диффузионная металлизация.

39. термомеханическая обработка.

40. алюминий и его сплавы. Достоинства и недостатки, область применения. Классификация аллюминиевых сплавов. Пресс-эффект в аллюминиевых сплавах.

41. выскопрочные аллюминиевые сплавы, сплавы для ковки и штамповки, жаропрочные алюминиевые сплавы, марки, состав, свойства, термическая обработка, область применения.

42. деформируемые аллюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой. Марки, состав, свойства, область применения.

43. литейные аллюминиевые сплавы. Марки, состав, свойства, область применения.

44. термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг, закалка, старение.

45. магний и его сплавы. Марки, состав, свойства, область применения. Особенности литья и термической обработки магниевых сплавов.

46. основы легирования стали. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом. Влияние легирующих элементов на устойчивость аустенита и феррита.

47. влияние легирующих элементов на закаливаемость и прокаливаемость, на эвтектоидную концентрацию углерода в стали, на диффузионные процессы и рост зерна аустенита.

48. обозначение марок легированных сталей. Классификация легированных сталей по назначению, химическому составу, по степени легированности и по структуре после охлаждения на воздухе.

49.основные классы жаропрочных сталей и сплавов, их свойства и область применения. Легирующие элементы в жаропрочных сталях и сплавах. Термическая обработка.

50. особенности поведения металлов и сплавов при высоких температурах. Жаропрочность и жаростойкость, ползучесть и длительная прочность. Факторы, которые необходимо учитывать при выборе жаропрочного материала.

51. конструкционные (машиностроительные) цементуемые и улучшаемые легированные стали.

52. инструментальные стали и твердые сплавы.

53. проблемы с коррозией металлов. Коррозионная стойкость, влияние окружающей среды. Способы повышения коррозионной стойкости, защитные покрытия.

54. хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали. Их маркировка, структура и свойства. Особенности термической обработки этих сталей.

55. титан и его сплавы. Достоинства и недостатки, область применения. Структура титановых сплавов после охлаждения на воздухе.

56. термическая обработка титановых сплавов.

57. медь и ее сплавы. Латуни, бронзы. Маркировка, состав, свойства, область применения.


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. Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии

энтропии, плотности и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму — сильно ионизированный газ (т. е. газ заряженных частиц — ионов, электронов), образующийся при высоких температурах (свыше 105 К). Однако это утверждение неточно, так как между плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко отличается от газа прежде всего сильным электрическим взаимодействием ионов и электронов, проявляющимся на больших расстояниях Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит главным образом от температуры и давления, при которых оно находится

В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практически

не взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный объем. Таким образом, для газа характерно отсутствие собственного объема и формы.

Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собственный объем. Для теплового движения атомов в жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении атомов, т. е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на расстояниях, сравнимых с межатомными. Для жидкости в отличие от твердого тела характерно такое свойство, как текучесть. Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т. е существования

так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное

расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т. д.). В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело. Аморфное состояние образуется при быстром- (106 О С/с и более) охлаждении расплава. Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами. Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно «построить», выбрав для этого определенный «строи тельный блок» (аналогично постройке стены из кирпичей) и многократно смещая этот блок по трем, непараллельным направлениям. Такая «строительная» единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках (в узлах кристаллической решетки).


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 TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - 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) .

Каждая решетка имеет свое координационное число – число атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем оно больше, тем плотнее. Плотность упаковки – отношение объема, занимаемого атомами данной решетки к объему все решетки. Для определения атомных плоскостей в пространстве, т.е плоскостей, проходящих через атомы, пользуются индексами. NKL – индексы Мюллера, они представляют собой 3 целых рациональных числа, по величине равных обратным отрезкам, отсекаемых данными плоскостями на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам ребер элементарных ячеек.

Анизотропия – свойства разные. Она реще выражена у металлов с гексагональными решетками, т.е она менее симметрична. В этом случае в зависимости от направления для всех свойств ( тепловых, электрических и т.п) В основе анизотропии лежит то, что межплоскостные расстояния и плотность расположения (упаковки) атомов зависит от направления в кристалле, т.к сила связи атомов зависит от расстояния между плоскостями. Реже анизотропия проявляется в монокристаллах, полученных искусственным путем. В промышленности чаще используют поликристаллы. (чем меньше зерно, тем свойства лучше и прочнее). В случае поликрист. Строения металла анизотропии нет, т.к среднестатист. расстояние между атомами по всем направлениям оказываются примерно одинаковыми.


7. Строение реальных кристаллов. Большеугловые и малоугловые границы.

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

* - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

1)по Шотки

2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом;
Возможно образование примесных атомов. Они могут проникать внутрь кристаллической решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

3) поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

4) объемные дефекты.

8. Дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

* - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

1)по Шотки

2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом;
Возможно образование примесных атомов. Они могут проникать внутрь кристаллической решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

В деформированных = 106...108см-2


Этот вектор определяется с помощью контура Бюргерса, который проводится через атомы в решетке в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если контур проводится в совершенной решетке, то он является замкнутым прямоугольником, в котором последний из векторов приходит в начальную точку. Если же контур охватывает дислокацию, то он имеет разрыв, величина и направление которого определяет вектор Бюргерса дислокации. Из схемы видно, что вектор Бюргерса краевой дислокации ориентирован перпендикулярно линии дислокации – это отличительная особенность краевой дислокации. Вектор Бюргерса винтовой дислокации ориентирован параллельно линии дислокации. Краевая дислокация, у которого линия полуплоскость расположена в верхней части кристалла, называется положительной, и обозначается перевернутая т, если внизу, то отрицательная и обозначается Т.

^ Движение дислокации в кристалле:

Дислокационная линия имеет разные формы и направления. Как правило она находится в плоскостях плотнейшей упаковки с большим межплоскостным расстоянияем. Результатом прохождения через кристалл дислокации является сдвиговое смещение на вектор Бюргерса. Направление в наиболее плотной упаковки называется направлением скольжения. Дислокация, в которой вектор Бюргерса лежит в плоскости скольжения называется подвижными или скользящими. Подвижные дислокации могут сравнительно легко проходить через кристалл. При их движении не требуется переноса материала, т.е движение атомов на расстояние, большее межпластинчатых, такое движение называют консервативным. Консервативное движение – силовое, оно требует усилий. Дислокации при этом легко подвижные. Металлы, у которых больше плоскостей скольжения, являются более пластичными. Дислокации бывают сидячими. Их особенностью является то, что вектор не лежит в плоскости скольжения. Перемещение таких дислокаций возможно лишь за счет подвода атомов с края экстра плоскости или за счет испарения атомов с ее края. Это движение является неконсервативным.

В результате появления напряжения появляется сила, действующая на дислокацию.

F=τ * b, где τ – напряжение, b – вектор Бюргерса.

^ Энергия дислокации.

Дислокация обладает собственным упругим полем и вносит изменения в упругое поле кристалла. Это определяет многие свойства кристалла, такие как взаимодействие с решеткой, друг с другом, с точечными дефектами и т.д. Существует понятие плотность дислокации – длина дислокации в 1 см3. При плотности 106…108 см-2 энергия дислокации будет равна W=b2*G на длине, равной одному межпластинчатому расстоянию, G - модуль сдвига. ρ = дельта L/ V см-2. плотность может быть определена как число дислокаций, пересекающих единицу площади.

9. Роль дислокации в упрочнении металлов. Способы повышения прочности металлов и сплавов.

Велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря дислокациям экспер. Определ предел текучести Ме в 1000 раз больше теоретич значения. При значит увелич плотности дислок и уменьшении их подвижности прочность увел в неск-ко раз по сравнению с отожженным состоянием. Плотность бездефектных участков приближ к теоретич. В полупр дислок влияют на электрические и другие св-ва считают электрич сопротивление. Уменьш время носителей значение дисл особенно возрастает в микроэлектронике, где применяют тонкие пленочные кристаллы, и дисл играют роль тонких проводящих каналлов, вдоль которых легко перемещ-ся атомы примеси. Причины упрочнения:

Увеличение плотности дислок(происходит уменьшение их свободн длины прбега, возник напряж, увелич прочн-и, твердости матер)

Выпадение субмикроскоп элементов по плоскостям скольжения.

Дислакац барьеры

ХПД за счет уплотнени дислокаций

Легир-ть (тв раствор внедрения дисл упрочн.)

Справка:

Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

В деформированных = 106...108см-2
10. Понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств.

Упрочнение Ме при деформировании наз-ют наклепом. Наклеп Ме увел-ся до момента разрыва образца, хотя растягивающ. Нагрузка изменяется от Рmax до Рк. Это объясняется появлением местного утонения. В образце участки в которых сосредотачив. пластич. деформация. При значительности деформации в Ме появляется кристаллографическая ориентация зерен, кот наз-ся текстура деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристалич стр-ры Ме, наличия примесей и условий деформирования. При прокатке получ-ся более сложная текстура. В этом случае параллельно плоскости прокатки лежит кристаллогафич пл-ть и направление которой образует с напрвлением прокатки опред угол . Текстура деформации делает Ме анизотропным. Анизотропия – различие св-в кристаллов в различн направлениях. Все св-ва, кот зависят от сил в/д атомов спр-ся кристаллограф направл. Анизотропия резче выражена в кристаллах с несиметричной крист решеткой. В этом случае зависит от направления натл-ся для всех св-св. В рез-те ХПД и тех явл происх гуменен .

^ Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

^ Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.


11. Возврат, полигонизация, рекристаллизация металлов и сплавов.

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=aTпл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.


12. Строение сплавов. Система, компонент, фаза.

Сплав макроскопическое однородное тело, состоящее из двух или нескольких веществ, обладающих характерными свойствами, присущими металлическому состоянию.

Сплавом называют результат сплавления двух или более компонентов. Компоненты – вещества, входящие в состав сплава. В качестве компонентов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Компоненты, находящиеся в состоянии физико-химического взаимодействия образуют термодинамическую систему, при этом в системе возникают как жидкие, так и твердые фазы. Фаза – однородная часть термодинамической системы, одинаковая по всем свойствам, независящим от массы. Фазы отделены друг от друга поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно. Система может быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:

1) при сплавлении компонентов с большим различием в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты сплава в твердом состоянии в любой пропорции ( или не в любой) растворяются друг в друге, тогда образуется гомогенный сплав, содержащий лишь один сорт кристаллов, называемых кристаллами твердого раствора.

3) Компоненты при определенном соотношении образуют соединения, кристаллическая решетка которых отличается от крист. решетки исходных компонентов. Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами.
13. понятие о гетерогенной структуре, твердом растворе и химическом соединении. Виды твердых растворов.

Система может быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:


1) при сплавлении компонентов с большим различием в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты сплава в твердом состоянии в любой пропорции ( или не в любой) растворяются друг в друге, тогда образуется гомогенный сплав, содержащий лишь один сорт кристаллов, называемых кристаллами твердого раствора.

3) Компоненты при определенном соотношении образуют соединения, кристаллическая решетка которых отличается от крист. решетки исходных компонентов. Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами.

Твердые растворы – твердые однородные кристаллические фазы переменного состава, состоящие из двух или более числа компонентов, сохраняющих однородность при изменении соотношения между этими компонентами. В этих фазах атомы различных компонентов образуют общие кристаллические решетки, свойственную растворителю. Между химическими элементами могут образовываться твердые растворы 2-х типов: замещения и внедрения.

^ Тв. растворы замещения образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.

2) Растворенный компонент.

Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:

а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %

в) Сплавляемые компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.
^ Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения.

^ Твердые растворы вычитания.

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

^ Промежуточные фазы или интерметаллические соединения:

1) упорядоченные твердые растворы или сверхструктуры;

2) фазы Лависа;

3) электронные соединения;

4)фаза внедрения;

^ Упорядоченные твердые растворы – это растворы, когда при определенных стехиометрических соотношениях имеет место упорядочение, т.е атомы занимают строго определенное место в кристаллической решетке; при упорядочении меняются параметры решетки.

^ Фаза Лависа – характеризуется тем, что образуются соединения типа АВ2. В зависимости от вида соединений один и тот же элемент может играть роль А или В (MgCu2, CuBe2), соотношение радиусов Ra/Rb=1, 223.

^ Электронные соединения – фазы переменного состава, образуются между элементами из следующих групп: с одной стороны- медь, серебро, золото, железо, кобальт, никель, палладий, платина, а с другой стороны – бериллий, цинк, кадмий, олово, кремний. Определенное соотношение валентных электронов: 7/4, 3/2, 21/13.

Фазы внедрения – соединения неметаллические, с переходными металлами. Состав описывается следующими формулами: Ме4Х, Ме3Х, Ме2Х, МеХ, МеХ2.


14. Правило фаз Гиббса и правило отрезков.

Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры и давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах определяется правилом Гиббса. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степени свободы, числом компонентов и числом фаз. С = К + 2 – Ф, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления. Под числом степени свободы понимают зависимость изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если С =0, то система безвариантна, то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если С = 1 – моновариантная система, то возможны изменения одного из перечисленного фактора (давления или темп), и это не вызовет изменения числа фаз. При С = 2 система бивариантная. Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовым превращением любого состава и указать состав и конечное соотношение фаз при любой температуре при помощи двух простых правил:

1) правило определения состава:

Через данную точку проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на горизонтальную ось диаграммы покажут состав жидкой фазы и твердой фазы.

2) правило определения количества фаз ( правило отрезков) :

для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.


3) поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.
15. построение диаграмм состояния сплавов. Критические точки. Изотермы свободной энергии.

Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как будет изменяться строение при изменении t и состава сплава. Зависимость между структурой сплава, его температурой, составом описывается с помощью диаграмм состояния. Другими словами диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состава сплава. Диаграмма состояния показывает устойчивое состояние, т.е состояние, которое при данных условиях имеет минимум свободной энергии, поэтому диаграмма состояния – диаграмма равновесия. По диаграмме состояния можно определить для конкретного сплава температуры кристаллизации и превращение в твердое состояние при заданной температуре, что позволяет примерно определить механические, физические и другие свойства сплавов и правильно назначить режимы ТО, ОМД, сварки. Диаграмма состояния строится по критическим точкам, получаемых на кривых охлаждения сплавов данной системе. Критические точки при этом стараются получить при очень медленном нагреве или охлаждении, т.е почти в равновесном состоянии.

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом и жидком состоянии, не образующих химических соединений.



А* - t плавления чистого компонента А

В* - t плавления чистого компонента В

А*mВ* - линия ликвидус, окончание плавления при нагревании , начало кристаллизации – при охлаждении, выше этой линии жидкое состояние,

А*nВ* - солидус. Начало плавления – при нагревании, конец кристаллизации при охлаждении, ниже этой линии твердый раствор.

Фазы две – жидкость и твердый раствор. Эта диаграмма возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковую кристаллическую решетку и их параметры отличаются на 10 – 15 % Диаграмма состоит из двух линий, ликвидус и солидус пересекаются в точке кристаллизации. Эти диаграммы типичны для системы медь – никель, молибден – ванадий, молибден – волфрам и т.п Жидкий раствор начинает кристаллизоваться при t плавления t1. Из жидкости начнут выпадать кристаллы, обогащенные более тугоплавкими компонентами В, т.е их состав XL, при этом оставшаяся жидкость будет обедняться этим компонентом В.при достижении t2 из жидкости буду выделяться кристаллы ХВ, а жидкость при этой температуре будет ХА. При достижении температуры t будет разный состав. При достижении t3 оставшаяся жидкость будет иметь состав ХF.Состав жидкости меняется по линии В*mА* от t1 до f, а состав твердой фазы по B*nA*от l до t3.етка,изма






Скачать файл (516.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru