Рекомендуемая литература.

1. Г.П.Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Гаврилюк и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Высшая школа, 2001.

2. Сильман Г.И. Материаловедение. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 336 с.

3. Арзамасов Материаловедение –

4. Онищенко В.И. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч 1 и 2. – Волгоград.: Изд. Волгогр. Гос. С.-х. акад – 2006. – 272 с.

5. Лахтин Ю.Н. Материаловедение. – М.: Машиностроение. 1990,-528 с.

6. Гуляев А.А. Металловедение. – М.: Металлургия,

Лекция 1

Предмет материаловедения. Взаимосвязь структуры и свойств материалов.

Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и др. видах воздействия. Научная основа получения материалов с заданными свойствами.

В технике вообще и в машиностроении в частности используют разные по своей химической природе материалы, но основными по ассортименту и объему производства являются металлические сплавы, среди которых объем сплавов на основе железа – сталей и чугунов на порядок больше, чем всех остальных сплавов.

Теоретические основы металловедения заложены в конце 19-го века российским ученым-металлургом Д.К.Черновым. Он открыл критические точки фазовых превращений стали (т. н. точки Чернова), установил влияние термической обработки стали на ее структуру и свойства, создал стройную теорию кристаллизации стального слитка.

Огромное значение для теории сплавов имело открытие Д.И.Менделеевым Периодического закона химических элементов. Большой вклад в развитие материаловедения внесли такие российские ученые как Аносов, отец и сын Бочвары , акад. Курнаков, акад. Байков, из зарубежных исследователей наиболее значительные открытия принадлежат Ле Шателье, Аустену, Мартенсу, Юм-Розери, Османду, Зейтцу, Котреллу и др.

Интенсивное развитие требует совершенствования традиционных и разработки принципиально новых материалов, среди них наиболее перспективны – керамика, пластмассы, порошковые сплавы, композиционные материалы.

Взаимосвязь структуры и свойств материалов

Свойства материала определяются его структурой, которая по степени локальности может быть разделена на следующие ступени:

- макроструктура, составляющие которой различаются невооруженным глазом или при небольших увеличениях до 50 крат. Примером макроструктуры является зеренное строение сплавов, структура первичной кристаллизации, состоящая из дендритных (древовидных кристаллов, строение излома и т.д.;

- микроструктура, характеризует фазовый состав; форму, распределение, объемное соотношение и дисперсность фазовых составляющих, различима она только при увеличениях оптического или электронного микроскопов от 50 до 30000 и более.

- кристаллическая структура – индивидуальна для каждой из твердых фаз и характеризует закономерность периодически повторяющегося расположения атомов, ионов или молекул в пространстве. Экспериментально может изучаться с помощью дифракции рентгеновских лучей.

Фазой называется однородная по химическому составу и свойствам часть сплава, отделенная от остальной части системы границей раздела, при переходе через которую состав и свойства резко меняются.

Основной характеристикой твердой фазы является индивидуальная, присущая только этой фазе кристаллическая структура.

Для описания кристаллической структуры используют математическую модель пространственную решетку, в узлах которой располагаются атомы или ионы данного вещества. Пространственную решетку можно воспроизвести с помощью элементарной ячейки – наименьшего повторяющегося объёма и основных векторов трансляций , направленных вдоль атомных рядов с наибольшей плотностью атомов. Длина вектора трансляции равна кратчайшему расстоянию между двумя одинаковыми атомами в этом ряду. Элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, ребра которого являются трансляциями, , а вершины - узлами решетки. Такие ячейки являются примитивными. В центре ячейки или в центре её граней тоже могут располагаться узлы, заполненные такими же атомами, что и в вершинах. В этом случае ячейки называются объёмно-, гране- или базоцентрированными. Транслируя (повторяя) элементарную ячейку по векторам бесконечное число раз можно воспроизвести всю бесконечную пространственную решетку. Элементарная ячейка является полномочным представителем своей решетки и, поэтому для описания кристаллической структуры достаточно изучить строение ячейки.

В се многообразие кристаллических структур охватывается семью трасляционными группами , – семью сингониями: триклинной, моноклинной, ромбической, ромбоэдрической, гексагональной, тетрагональной и кубической.

Каждая из сингоний характеризуется соотношением модулей элементарных трансляций a₀, b₀, c₀ и углами между ними - , , , и может быть представлена в виде трехосной системы координах XYZ.

В кристаллической структуре в разных направлениях и в разных плоскостях атомы располагаются на разных расстояниях друг от друга, соответственно, различна энергия их взаимодействия, зависящая от расстояния между атомами и типа химической связи. Поэтому кристаллические тела обладают анизотропией свойств, т.е. свойства кристалла в разных направлениях и в разных плоскостях различны. Наибольшее значение для формирования свойств кристаллов имеют направления и плоскости кристаллической решетки с наибольшей ретикулярной (решетчатой) плотностью атомов. Чтобы однозначно определить положение таких плоскостей в пространстве решетки используют кристаллографическое индицирование относительно осей координат той сингонии, к которой принадлежит данная кристаллическая структура.

С имволы направления [uvw] и плоскости (hkl) определяют их наклон к осям координат XYZ. У параллельных направлений и параллельных плоскостей символы одинаковы. Индексы направления [uvw] и индексы плоскости (hkl) представляют собой три взаимно простых, целых и малых числа. Индексы направления соответствуют координатам узла, лежащего на данном направлении, если оно проходит через начало координат. Например, направление 0А в примитивной кубической ячейке имеет индексы как у узла «А» – [111], напомню, что измерения по осям координат производятся в осевых отрезках a₀, b₀ и c₀. Индексы плоскости соотносятся как величины обратные отрезкам, отсекаемым на осях координат плоскостью. Например, плоскость BCD имеет символ (112), т. к.

h : k : l = 1/0B : 1/0C : 1/0D = 1/1: 1/1: 1/(1/2) = 1 : 1 : 2.

В реальных кристаллах всегда присутствуют дефекты кристаллической структуры. Важнейшие дефекты, определяющие свойства кристаллических материалов – это вакансии, межузельные и примесные атомы, а также дислокации.

Вакансия представляет собой незаполненный (пустой) узел кристаллической решетки. Межузельный атом – лишний атом, расположенный в непредусмотренном кристаллической решеткой месте между узлами. Примесный атом располагается в узле решетки, но является атомом другого химического элемента. Вакансии определяют многие свойства твердых веществ, например, обеспечивают диффузионное перемещение атомов в кристаллической решетке – массоперенос, без которого невозможны нормальные фазовые превращения металлов и сплавов в твердом состоянии. Межузельные и узловые примесные атомы обеспечивают образование твердых растворов – основных фаз металлических сплавов. От концентрации и химической природы примесных атомов зависят свойства твердых растворов, в частности их упрочнение. Наибольшее упрочняющее действие оказывают атомы, расположенные в межузлиях, так они в наибольшей степени искажают кристаллическую решетку вокруг себя.

Дислокации относятся к линейным дефектам кристаллической решетки. Краевую дислокацию можно представить себе как лишнюю кристаллическую полуплоскость (экстраплоскость), обрывающуюся внутри кристалла. Аналогично обрывку страницы в книге. Край экстраплоскости, обычно, прямой является линией дислокации. Под действием приложенного напряжения линия дислокации может перемещаться в некоторой плоскости скольжения вплоть до выхода на поверхность кристалла, где образуется ступенька, высота которой равна межатомному расстоянию – этот процесс является элементарным актом пластической деформации. Макропластическая деформация представляет собой результат скольжения большого количества дислокаций. Торможение движения дислокаций какими-либо препятствиями, например, скоплением примесных атомов, неподвижными (закрепленными) дислокациями или границами зерен в поликристаллических материала, соответствует упрочнению материала, так как повышает сопротивление материала пластической деформации.

Т

X

ехнические металлы и фазы сплавов на их основе наиболее часто кристаллизуются с образованием гексагональной (ГПУ), гранецентрированной кубической (ГЦК) или объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры с плотнейшей или плотной упаковкой атомов с координационным числом 12 или 8 и металлическим типом связи между атомами. При этом у многих элементарных веществ наблюдается аллотропия, т.е. существование нескольких кристаллических модификаций, стабильных в разных внешних условиях (температуре и давлении). Например, железо имеет две аллотропические модификации: -Fe с ОЦК структурой, стабильной ниже 910 С и в интервале 1399-1539 С, а также -Fe с ГЦК структурой, равновесной в интервале 910-1399 С.

Металлическая связь в кристаллах осуществляется электростатическим взаимодействием между положительно заряженными катионами, расположенными в узлах кристаллической решетки и свободными, обобществленными для всех катионов кристалла электронами, образующими электронный газ, в который погружена решетка.

Присутствие в металлических кристаллах свободных электронов определяет многие свойства металлов, в частности, хорошую электронную проводимость. Под действием разности потенциалов свободные электроны приходят в направленное движение, осуществляя электрический ток.

Свободные электроны определяют и хорошую теплопроводность металлов. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию электронов, которые, свободно перемещаясь в решетке и сталкиваясь с катионами, расположенными в узлах, передают им часть знергии, повышая энтальпию, т. е. теплоту.

Плотнейшая упаковка и высокая степень симметрии определяют пластичность металлов. У металлов с ГЦК и ОЦК структурой большое количество систем легкого скольжения, обеспечивающей благоприятную ориентацию хотя бы одной из них относительно деформирующей нагрузки. Вследствие высокой симметрии, выраженной в большом количестве симметрично равных направлений и плоскостей в которых атомы располагаются одинаково, анизотропия свойств у металлов и сплавов с кубической структурой проявляется слабо.

В состав металлических сплавов наряду с металлическими компонентами обычно входят и неметаллы, элементы с очень высоким потенциалом ионизации и высокой электроотрицательностью. Атомы таких элементов образуют кристаллические фазы с ковалентным или молекулярным типом связи. Ковалентные связи осуществляются общей для двух соседних взаимодействующих атомов парой валентных электронов. Каждый атом структуры может взаимодействовать с ограниченным числом соседей, в фазах металлических сплавов обычно с 4. Соответственно ковалентные кристаллы имеют рыхлую структуру со связями сильными, но строго направленными в сторону ближайших соседей, небольших по числу.

В этой связи ковалентные кристаллы имеют высокую твердость, например алмаз, развитую анизотропию свойств. Они являются полупроводниками, так как свободных электронов нет. Электронная или дырочная проводимость в ковалентных кристаллах обеспечивается усреднением электронной плотности атомов основного вещества и примесей.

В железоуглеродистых сплавах, например, фазой с преимущественно ковалентными связями является цементит химическое соединение Fe₃C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью. °С

Фазы и структурные составляющие металлических сплавов. Диаграммы состояния.

Основными техническими материалами являются металлические сплавы, состоящие из двух и более компонентов (металлов и неметаллов). Входящие в состав сплава компоненты, взаимодействуя между собой в, зависимости от своей химической природы, концентрации и внешних параметров системы (температуры) образуют различные фазы. Эти фазы в различных соотношениях и формах составляют микроструктуры сплава и определяют его свойства.

Фазы металлических систем можно разделить на граничные твердые растворы и промежуточные фазы или интерметаллидные соединения.

Граничные твердые растворы – гомогенные (однородные) фазы, которые имеют кристаллическую структуру такую же, как у основного вещества-растворителя. Атомы растворенного компонента могут статистически, то есть без какой-либо системы, замещать атомы растворителя в отдельных узлах его решетки. Такая фаза называется твердый раствор замещения.

Условия образования твердого раствора замещения:-близкие радиусы атомов; электроотрицательность и изоморфные структуры.

Чем полнее выполняются эти условия, тем шире область растворимости вплоть до неограниченной смешиваемости.

Некоторые растворы замещения при снижении температуры могут образовывать сверхструктуры – в которых примесные атомы занимают не произвольные, а строго определенные узлы в решетке растворителя. Такое упорядочение в кристаллической структуре изменяет свойства твердого раствора.

Если атомы растворенного элемента размещаются в междоузлиях, образуется твердый раствор внедрения. Образование такого типа твердого раствора возможно при малых размерах атомов примеси.

Так, например, по типу внедрения образуются твердые растворы неметаллов C, H, N, B, O в переходных металлах Fe, Mn, Ti, Mo, W, Ni, Cr.

Растворы внедрения имеют, как правило, ограниченную растворимость.

Лекция 2 (продолжение темы)

Компоненты с существенно разными электрохимическими свойствами и неизоморфными структурами склонны к образованию интерметаллидных или других химических соединений. Характерной отличительной чертой химического соединение является своя собственная кристаллическая структура, отличная от структуры каждого из его компонентов.

Компоненты могут входить в состав интерметаллидов в стехиометрических соотношениях, образуя дальтониды, или в нестехиометрических, давая бертоллиды. Бертоллиды могут рассматриваться как твердые растворы замещения на основе химического соединения, со стохастическим (произвольным) или упорядоченным замещением.

Структура и свойства интерметаллидов формируется, в основном, под действием геометрического фактора (соотношения атомных радиусов компонентов), предельной концентрации электронов, электрохимических свойств компонентов (разности электроотрицательности).

В зависимости от значимости каждого из этих факторов формируются основные интерметаллиды.

1. Под действием геометрического фактора образуются фазы Лавеса с плотнейшей упаковкой атомов в кристаллической структуре. Соотношение R_A/R_B = 1,06…1,38. Этим соединениям приписывается стехиометрия АВ₂, хотя они являются бертоллидами и существуют в интервале концентраций.

2. Важнейшим фактором в формировании фаз Юм-Розери или электронных фаз является предельная электронная концентрация. Например, в системах Cu-Zn, Cu-Mg и сплавах меди с другими металлами по мере повышения концентрации второго металла повышается электронная концентрация, и при определенных предельных значениях электронной концентрации происходит изменение кристаллической структуры, т. е. одна фаза сменяется другой.

3. В формировании фаз Цинтля ведущую роль играет большая разница электроотрицательности компонентов. Эти фазы образуются активными металлами (ЩМ, ЩЗМ или РЗМ) и металлами II(B), III или IV группы, например Zn, Sn, а также Ag или Al. В фазах, образованных металлами и неметаллами с большой разницей электроотрицательности, химическая связь, наряду с металлической, имеет развитую ковалентную и даже ионную компоненты.

4. В соединениях металлов и неметаллов при значительной разнице в размерах атомов и электроотрицательности образуются фазы внедрения. К этому типу интерметаллидов относятся карбиды, бориды, нитриды и т.п.

Фазовое состояние сплава при тех или иных внешних (температура) и внутренних (концентрационное соотношение компонентов) параметрах описывает равновесная диаграмма состояния.

Диаграммы состояния двойных металлических сплавов изображают в координатах концентрация – температура. Поле диаграммы разделено линиями фазового равновесия на области стабильного существования равновесных фаз. Линия ликвидуса отделяет область жидкого состояния системы, то есть выше линии ликвидуса располагаются на диаграмме только жидкие фазы. Начинается линия ликвидуса в точке плавления одного чистого компонента и заканчивается в точке плавления второго компонента.

Линия солидуса отделяет на диаграмме область твердого состояния системы. Ниже линии солидуса на диаграмме располагаются только твердые фазы. Эта линия тоже начинается и заканчивается в точках плавления чистых компонентов. Каждый из сплавов системы имеет свои температуры ликвидуса (T_L) и свою температуру солидуса (T_S), при которых начинается и заканчивается равновесное затвердевание (в обратном направлении плавление) этого сплава. Эти температуры лежат соответственно на линиях ликвидуса и солидуса.

Таким образом, линии ликвидуса и солидуса в точках плавления чистых компонентов касаются друг друга, соответственно равновесные плавление и кристаллизация чистых веществ протекают при постоянной температуре. Кристаллизация и плавление сплавов часто происходит в интервале температур ликвидуса и солидуса (T_L-T_S ). На диаграмме состояния между линиями ликвидуса и солидуса расположена область двухфазного жидко-твердого состояния.

Двухкомпонентные системы могут описываться различными типами диаграмм состояния, основные из них:

1. Диаграмма с образованием непрерывных твердых растворов;

2. Диаграмма с идеальной эвтектикой;

3. Диаграммы с ограниченными твердыми растворами с эвтектикой и с перитектикой

4. Диаграммы с образованием химического соединения, конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся.

5. Диаграммы систем, имеющих превращения в твердом состоянии.

Диаграмма с образованием непрерывного ряда твердых растворов

Основным методом построения диаграмм состояния является термографический анализ, который основан на изменении скорости охлаждения сплава при фазовом превращении, например, при кристаллизации, вследствие теплового эффекта этого превращения. При достижении температуры ликвидуса начинается выделение твердой фазы из жидкого раствора, и выделяется тепло кристаллизации, которое замедляет охлаждение. На термографической кривой образуется перегиб, точно отвечающий температуре ликвидуса сплава T_L. Второй перегиб на кривой охлаждения фиксируется по окончании кристаллизации в точке солидуса T_S.

В любом сплаве системы, образующей непрерывный ряд твердых растворов, например, в сплаве I-I при охлаждении ниже температуры ликвидуса (T_L^I) из жидкого раствора будут выделяться кристаллы -твердого раствора. Равновесный состав твердого раствора при данной температуре показывает точка, лежащая на линии солидус, – нода солидуса. При температуре Т₁ нода солидуса соответствует точке а. По мере увеличения количества твердой фазы состав жидкости будет изменяться в соответствии с ликвидусом. В процессе равновесной кристаллизации нода ликвидуса, показывающая состав жидкости, будет перемещаться по линии ликвидуса. Таким образом, при температуре Т₁ состав жидкой фазы будет описываться точкой с. Положение равновесных нод позволяет узнать не только химический состав фаз, но и их объемное соотношение при данной температуре, используя правило равновесного рычага или правило фаз.

Если соединить равновесные ноды жидкой и твердой фаз прямой линией (конодой) ас, то линия I-I, соответствующая среднему составу сплава, поделит эту коноду на отрезки пропорциональные объемным долям равновесных фаз. То есть объемная доля жидкой фазы будет равна отношению длины отрезка аб, противолежащего ликвидусу, к длине всей коноды ас: , а доля кристаллов твердого раствора составит , при этом f_L +f_S=1.