- 13 -

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» для подготовки к тесту

3.Дефекты кристаллической решетки. Классификация. Понятие о точечных дефектах кристаллов (вакансии, дислоцированные атомы, примесные атомы). Условия их образования и влияние на свойства кристаллов. Равновесная концентрация вакансий.

Классификация дефектов. Реальный кристалл является поликристаллом, т.е. состоит из многих кристаллов и всегда содержит дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты. Точечные дефекты по размерам не превышают нескольких атомных диаметров. Могут быть собственными (структурными) и примесными. К элементарным собственным дефектам относят вакансии и межузельные атомы, к примесным - атомы примеси, растворенной по способу замещения или внедрения.

Вакансии - незаполненный узел кристаллической решетки.

Межузельный атом - это собственный атом, расположенный в междоузлии. Если при этом происходит выход атома из узла кристаллической решетки в междоузлие, то образуется вакансия и межузельный атом (парный дефект Френкеля). Если же атом перемещается из нормального положения в узле кристаллической решетки на поверхность кристалла, то образуется вакансия (дефект Шоттки).

Вокруг точечных дефектов кристаллическая решетка сильно искажена, следовательно, их образование всегда требует затраты энергии. Однако присутствие точечных дефектов в определенных концентрациях, зависящих от температуры, является термодинамически выгодным, так как свободная энергия системы при наличии дефектов какой-то равновесной концентрации уменьшается.

Если один из атомов, расположенных около вакансии, получает от соседних атомов избыток энергии, то он преодолевает потенциальный барьер Есв и перемещается в свободный узел, т.е. атом и вакансия обменивается местами (Рисунок 1.7). Таким путем осуществляется миграция вакансий. Вакансии появляются и исчезают на других дефектах решетки. Тепловые вакансии образуются в основном на свободной поверхности кристалла. Большое количество точечных дефектов образуются при пластической деформации, а также при облучении кристаллов частицами с большой энергией.

Поле напряжений, которое создает вакансия в кристалле, является близкодействующим. Поэтому взаимодействие между вакансиями на больших расстояниях отсутствует. На близком расстоянии две вакансии всегда притягиваются, образуя дивакансию. Подвижность дивакансий больше, чем подвижность одиночных вакансий. Возможно также образование тривакансий.

Рисунок 1.7. Схема образования и миграции вакансий

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.

21.Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения. Компоненты и фазы. Формирование структуры при охлаждении сплавов различного состава из области жидкого раствора.

Диаграмма состояния с образованием устойчивого химического соединения (3 тип). По этой диаграмме кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а при затвердевании образуют устойчивое химическое соединение.

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

выше линии АБСД-жидкость, Ф – феррит, А-аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледобурит (эвтектика,А+Ц,при низк температурах П+Ц). Компонента 2: жидкость + С, L+ Ц;

фазы: L, Ф, А, Ц, графит, П – эвтектоид (Ф+Ц,перлит) Вид линий диаграммы Fe-C зависит от типа образующихся в процессе кристаллизации фаз и от того,какие превращения происходят при охлаждении твердого сплава. Поск-ку С обладает способностью в атомарном виде размещаться в крист решетке железа, то при затвердевании расплава могут образовываться твердые растворы внедрения на основе решеток 2х высокотемпературных модификаций железа: δ-Fe, (гамма) γ- Fe . Если углерода меньше 0,5 %,то в начале из расплава кристализ-ся δ – твердый раствор, который при последующем охлаждении перекристализ-ся в γ-тверд раствор. В сплавах, содержащих больше 0,5 % ,но меньше 4,3 %, из расплава сразу кристалл-ся γ-тверд раствор. Поскольку он так же как и δ – твердый раствор не может существовать при низких температурах,то γ-тверд раствор при охлаждении превращается в твердый раствор α (альфа). Т.о. сплавы железа с углеродом могут существовать кристаллы 3х тверд растворов: δ,γ и α, образующихся на основе 3х аллотропических модификаций чистого железа. Алоферрит тверд наз-ся ферритом и содержит больше 0,025 % углерода при темп 727 градусов. По своим св-вам он близок к чистому железу. γ-тверд раствор наз-ся аустенитом и он может содержать в себе до 2,14 % углерода. Помимо тверд раст-ров железа и углерода образуется тверд хим соед-ния Fe₃C – карбид железа (цементит).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

24 25. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe3c)

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

Л – ледебурит

Ц I – цементит первичный.

Железо – металл, плавящийся при температуре 1539оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539 оС – 1392 оС железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392 оС – 911 оС железо имеет ГЦК решетку.

При температуре менее 911 оС железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768 оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.

Железо сравнительно мягкий металл: в=250 МПа, НВ 80.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.

На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.

На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.

Феррит – твердый раствор углерода в -железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии HIB при Т=1499 оС протекает перитектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодейст­вует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).

При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).

по лекции: Линии,образующие треуг-ки в левом углу связана с аллотропическим превращением железа и перекристализ-ей δ – тверд раствора в γ-тверд раствор. эта фаза-переход не играет почти никакой роли при тех обработке стали. Диагр сост-я Fe – Ц представляет собой как бы 2 совмещенные и немного сдвинутые одна относит-но другой диаграммы с ограниченной растворимостью. Верхняя диагр относится к процессам первичной кристал-ции выше линии ЕСF, а ниже – к процессам вторичной крист-ции, т.к. эти процессы происходят в тверд состоянии. Поск-ку С способен растворяться в решетке γ-Fe до 2,14 %,то при кристалл-ции жид сплавов,содержащих не более 2,4 % углерода, из жид-сти будут появляться кристаллы трерд раствора аустенита γ-Fe различной концентр-ции в зависимости от состава сплава. Линии ВС будет соответствовать началу кристалл-ции аустенита,а линия JЕ – концу кристалл-ции. При концентрации сплава более чем 2,14% С, т.е. правее точки Е, избыточный С уже не может размещаться в крист-кой решетке железа; образует кристаллы Fe₃C. Т.о для сплавов,расположен-х правее т-ки Е, в результате кристалл-ции должна появл-ся мех смесь аустенита и цементита.Если состав сплава будет точно соответствовать 4,3% С, то при крист-ции при t=1147 одновременно будут возникать кристаллы аустенита и цементита,образуя эвтектическую смесь,наз-мую ледебуритом. Кристал-ция сплавов,лежащих по составу между точками Е и С, начнется с образования аустенита. В процессе охлаждения состав как жидкой так и твердой фазы будет меняться и при достижении t=1147 линии ЕСF состав жидкости будет соответствовать 4,3% С.а тверд фаза аустенита – 2,14%. Это положение справедливо для любых сплавов из линии ЕСF. На линии солидус ЕСF из жидкости будет кристаллизоваться ледебурит. Аналогично будет происходить кристалл-ция сплавов,лежащих правее тоски С ,с той лишь разницей,что вместо аустенита будет выделяться Цементит1; состав жид-сти будет меняться по кривой ДС, и при достижении t=1147 из оставш-ся жид-сти будет о5 кристал-ся ледебурит.Линия ЕСF наз эвтектической линией.

Сплавы железа и С, содержащие с менее чем 2,14% С, наз-ся сталями. Все стали при высокой температуре имеют структуру аустенита и, ввиду его хорошей пластичности, стали обабатыв-ся давлением.Если содержание С будет больше,чем 2,14%, то в струк-ре появл-ся хрупкая ледебуритная эвтектика, и обработка давлением обычными способами становится невозможной.Но существуют способы…Понижение температуры вызывает ряд превращений аустенита,вследствие которых он перестает существовать. Превращения происходят по-разному ,в зависимости от содержания С в сплаве.Если сталь содержит менее,чем 0,8 %,т.е. правее точки S , то при охлаждении до температуры,соответствующей линии GS, начинается перекристал-ция аустенита с образованием зерен перлита. Точка G на температурной оси чистого железа (911 градусов) соответствует температуре аллотропического превращения γ-Fe в α-Fe.Увеличение конц-ции С снижает температуру аллотропического превращения. По мере охлаждения сплавов кол-во феррита увелич-ся , а аустенита-уменьшается. Одновременно увел-ся концентр-ция С в аустените,что можно определить,используя правило отрезков;Но при этом увел-ся так же и соед-ние С и в феррите до 0,025%. Содержание С в аустените (А) будет 0,8%,а в феррите (Ф) – 0,025%.В А с С 0,8% при охлаждении до 727 гр одновременно происходит образование Ф, вследствие аллотропного превращения и образование Ц.Поск-ку С уже не может находиться в решетке железа в прежнем количестве,то образование смеси Ф и Ц происходит по тем же законам,что и эвтектические смеси, с тем же различием,чтов данном случае эта дисперсная механич смесь разнотипных кристаллов возникает из тверд,а не из жидкого состояния,поэтому такая мех смесь наз эвтектоидом. Эвтектоид,состоящий из мех смеси Ф и Ц, наз перлитом. Т.о образом происходит превращение и для сплавов, содержащих > чем 0,8%С, за исключением сплавов,лежащих левее точки Р,т.к. в етой области содержание С не превышает 0,025% и струк-ра будет представлять из ся Ф. При температуре ниже 727 гр РQ из перлита будет выделяться Ц_III 1%. Подобным образом превращения будут происходить в сплавах,лежащих правее точки Е. При охлаждении сплавов с 1147 до 727 гр концентр-ция С в избыточном А, не входящем в эвтектику и в А эвтектичного состава, будет изменяться в соответ-вии с линией ЕS, в результате чего образ-ся кристалл Ц_II, а концентрация С снизится до 0,8% при 727гр,т.е. А приобретает перлитную конц-цию и превращ-ся в эвтектоид.На линии РSK 727гр образуется перлит и онаназ-ся перлитной линией. Точка С и S, в которых весь объем сплава превращается в эвтектику, наз-ся (С) эвтектической точкой и эвтектоидной (S).

Классификация сплава системы железо-Ц. Все сплавы данной системы делят на 3 большие группы: 1)технической железо;2)стали и 3)чугуны. Рассмотрим 2)стали – Fe с С, в котором содержание С больше предельной растворимости в α-Fe 0,025% и меньше его предельной растворимости в γ-Fe 2,14% между точками Р и Е. Принципиальное отличие технического железа от стали заключаеца в том,что в стали присутствует эвтектоидная смесь- перлит,а в тех железе его нет.

Стали в свою очередь делятся на 3 группы: 1)0,025-0,8% - в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и Ц_{II (}заэвтектоидные стали).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

25. 3)чугуны – сплавы Fe с С , в которых соединение С больше его растворимости в γ-Fe,т.е. все что правее точки Е. принципиальное отличие чугунов от стали заключается в том,что в их струтуре находится эвтектоидная смесь- ледебурит, а в стали – нет. Исключение: в некоторых сталях содержане С м.б. больше 2,14%, - это стали ледебуритного класса.

Чугуны так же делятся на 3 группы: 1)2,14-4,3% С – состоит из П+Л -(доэвтектические); 2)4,3% С – только Л (ледебурит) – (эвтектические) самые легкоплавкие; 3)больше 4,3 % С – содержит Ц_II+Л – (заэвтектические чугуны).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

39.Термообработка сталей и сплавов. Старение алюминиевых сплавов. Стадийность превращений при старении (на примере системы Al-Сu). Зоны Гинье-Престона. Образование метастабильных и стабильных фаз при старении. Выбор режимов старения. Примеры применения.

Характерной особенностью ‑твердого раствора на основе алюминия является значительное увеличение растворимости легирующих элементов с повышением температуры (например, в системе Al-Cu максимальная растворимость меди в алюминии возрастает почти в 30 раз при нагреве в интервале 20...548 С - см. рис. 9.1).

Содержание легирующих элементов в сплавах данной группы приближается к составу, отвечающему предельной растворимости в ‑растворе, но не превосходит его, т.е. структура этих сплавов в равновесном состоянии: ‑твердый раствор с включениями соответствующих промежуточных вторичных фаз. Это, с одной стороны, обеспечивает сохранение деформируемости сплава, так как его основа - пластичный ‑раствор, с другой - создает возможность эффективного упрочнения термической обработкой.

Основы теории термической обработки алюминиевых сплавов могут быть рассмотрены на примере дуралюминов - сплавов системы Al-Cu-Mg. Эти сплавы содержат около 4...5 % Cu, поэтому согласно диаграмме Al-Cu (рис. 9.1) их структура в равновесном состоянии: ‑твердый раствор с включениями промежуточной фазы CuAl₂ , называемой ‑фазой.