Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007

5.Назовите изменения, происходящие в веществе, при фазовом переходе из твердого в жидкое состояние.

6.Что такое параметр порядка в расположении атомов?

7.Поясните представления о дальнем и ближнем порядке в расположении атомов, об упорядоченном и разупорядоченном расположении атомов в кристаллической решетке.

8.Дайте характеристику и назовите способы описания ближнего порядка.

9.Что характеризует распределение Гиббса?

10.Дайте характеристику двум структурным составляющим распла-

вов.

11.Назовите разновидности и основные особенности дифракционных методов изучения структуры.

12.Опишите радиальную функцию распределения атомов.

13.Опишите функцию интенсивности рассеяния излучения.

14.Опишите структурный фактор и его использование для описания структуры моноатомной жидкости.

15.Дайте пояснения о функции радиального распределения атомов и

ееиспользовании для описания структуры моноатомной жидкости.

16.Приведите классификацию строения жидких металлов по форме первого пика структурного фактора.

17.Дайте описание строения жидких металлов по форме первого пика функции радиального распределения атомов.

18.Назовите особенности структурного анализа двухкомпонентных расплавов.

19.Введите понятия флуктуационных структурных факторов, описывающих корреляцию плотности (плотность–плотность), концентрации (концентрация–концентрация), плотности с концентрацией.

20.Рассмотрите связь структурных парциальных факторов с физическими и физико-химическими свойствами расплавов.

21.Каким образом структурные факторы, экспериментально определяемые для расплава, позволяют получить информацию о характере межатомного взаимодействия в расплаве?

22.Что является основой и какие величины используют для классификации расплавов?

23.Дайте характеристику расплавов, для которых выполняется примерное равенство энергий взаимодействия однородных и разнородных

атомов: UAA ≈ UBB ≈ UAB.

24. Дайте характеристику расплавов, для которых выполняется примерное равенство энергий взаимодействия однородных и разнородных атомов: UAA ≈ UBB > UAB.

441

25. Дайте характеристику расплавов, для которых выполняется примерное равенство энергий взаимодействия однородных и разнородных атомов: UAB > UAA и UBB.

26.Как оценивают устойчивость химических (интерметаллических) соединений атомов?

27.Дайте характеристику расплавов, для которых выполняется примерное равенство энергий взаимодействия однородных и разнородных

атомов: UAA > UBB > UAB.

28.Дайте характеристику кластерного строения жидких расплавов.

30.Дайте характеристику ассоциированных растворов.

31.Как структура материала зависит от скорости затвердевания?

32.Что такое контролируемое затвердевание?

33.Определите скорость движения фронта затвердевания.

34.Охарактеризуйте виды теплоотвода из расплава, достижимые скорости теплопередачи.

35.Дайте описание механизмов зарождения твердой фазы.

36.Дайте описание распределения (коэффициентов распределения) легирующих элементов и примесей в разбавленных сплавах при затвердевании.

37.Дайте описание механизмов роста твердой фазы.

38.Дайте описание нормального затвердевания: равновесного и при отсутствии перемешивания.

39.Дайте описание нормального затвердевания: в условиях перемешивания и при конвекции.

40.Что такое зонная плавка и ее виды?

41.Рассмотрите особенности затвердевания с искривленной поверхностью раздела твердой и жидкой фаз, условия равновесия.

42.В вопросе «три стадии дендритного роста» рассмотрите неустойчивость сферических центров затвердевания при их росте.

43.В вопросе «три стадии дендритного роста» рассмотрите условия роста центрального ствола дендрита.

44.В вопросе «три стадии дендритного роста» рассмотрите неравновесный рост дендритов.

45.Дайте характеристику и рассмотрите особенности концентрационного переохлаждения.

46.Как формируется ячеистая структура?

47.Как формируются ячеистые дендриты?

48.Рассмотрите затвердевание эвтектик на примере двойных систем, разновидности эвтектических структур.

49.Рассмотрите затвердевание перитектик.

50.Рассмотрите виды сегрегаций примесей при затвердевании.

442

51.Дайте описание методов воздействия на расплав.

52.Опишите общие закономерности адсорбции и сегрегации примесей

вбинарных сплавах.

53.Каковы составляющие энергии связи атомов примеси с границей и дайте их оценки?

54.Рассмотрите особенности многослойной адсорбции в бинарных системах.

55.Рассмотрите особенности конкуренции примесей при адсорбции (на одном стоке).

56.Каковы особенности взаимодействия примесей в многокомпонентных системах?

57.Назовите причины и особенности разрушения материалов.

58.Дайте характеристику вязкого и хрупкого разрушения материалов.

59.При каких условиях наступает разрушение материалов?

60.Назовите основные факторы, влияющие на разрушение материа-

лов.

61.В проблеме природного охрупчивания стали рассмотрите необратимую хрупкость.

62.В проблеме природного охрупчивания стали рассмотрите обратимую хрупкость.

63.Дайте характеристику необратимой высокотемпературной отпускной хрупкости стали.

64.Рассмотрите особенности радиационного охрупчивания на примере

стали.

65.Рассмотрите охрупчивание ОЦК металлов.

66.Каковы пути снижения хладноломкости ОЦК металлов.

67.Рассмотрите охрупчивание бериллия и его устранение.

68.Назовите общие направления снижения охрупчивания материалов.

69.Рассмотрите особенности и применение микролегирования, как способа снижения хрупкости материалов.

Список использованной литературы

1.Белащенко Д.К. Структура жидких и аморфных металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 192 с.

2.Уайт Р., Джембелл T. Дальний порядок в твердых телах. / Пер. с

англ. – М.: Мир, 1982. – 448 с.

3.Физика металлов/ Белоус М.В., Браун М.П. – Киев: Вища школа, 1986. – 343 с.

4.Соколовская Е.М., Гузей Л.С. Металлохимия. – М.: МГУ, 1986. –

264 с.

443

5.Коваленко Н.П., Красный Ю.П., Тригер С.А. Статистическая теория жидких металлов. – М.: Наука, 1990. – 204 с.

6.Свидунович Н.А., Глыбин В.П., Свирко Л.К. Взаимодействие компонентов в сплавах/Под науч. ред. И.С. Куликова. – М.: Металлургия, 1989. – 158 с.

7.Приходько Э.В. Металлохимия комплексного легирования. – М.: Металлургия, 1983. – 184 с.

8.Арсентьев П.П. Металлические расплавы и их свойства. – М.: Ме-

таллургия, 1976. – 376 с.

9.Баум Б.А. Металлические жидкости. – М.: Наука, 1979. 120 с.

10.Вильсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов/Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 247 с.

11.Левич В.Г. Курс теоретической физики. Т. 1 – 2-е изд., перераб. –

М.: Наука, 1971. – 695 с.

12.Теория затвердевания. Чалмерс Б./ Перев. с англ. /Под ред. докт. техн. наук М.В. Приданцева. – М.: Металлургия, 1968. – 288 с.

13.Полетика И.М. Межкристаллитная адсорбция примесей и разрушение металлов. – Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1988. – 127 с.

14.Стефанович Л.И., Фельдман Э.П., Юрченко В.М. Кинетика неоднородной сегрегации примесей на межкристаллических и межфазных границах.// Металлофизика и новейшие технологии, 2002. Т. 24. № 8. С. 1103–1122.

15.Кривоногов Г.С., Каблов Е.Н. Роль границ зерен в охрупчивании высокопрочных коррозионно-стойких сталей// Металлы, 2002. № 1. С. 35–41.

16.Черногоренко В.Б., Ершов Г.Г., Гаврилюк Г.В. Уменьшение вредного воздействия фосфора в железоуглеродистых сплавах путем легиро-

вания.// Металлы, 1998. № 2. С. 6–10.

17.Николаева А.В., Николаев Ю.А., Шур Д.М., Чернобаева А.А. Прогнозирование склонности Cr-Ni-Mo стали к отпускной хрупкости.// Физика металлов и материаловедение, 1993. 76. Вып. 5. С. 163–170.

18.Степанов И.А., Печенкин В.А., Конобеев Ю.В. Моделирование ра- диационно-индуцированной сегрегации фосфора на стоках точечных де- фектоввкорпусныхсталяхВВЭР-440 // Металлы, 2003. №6. С.77–83, 84–90.

19.Третьяков В.И., Хасянов М.А. Влияние адсорбционной активности атомов легирующих элементов на свойства сплавов.// Металловедение и термическая обработка, 1994. № 5. С. 27–31.

20.Папиров И.И., Тихинский Г.Ф. Пластическая деформация бериллия./ Под ред. действительного члена АН УССР В.Е. Иванова. – М.: Атом-

издат, 1973. – 304 с.

444

ними отсутствует или они взаимодействуют с допустимой скоростью, не изменяя заметно свой состав, структуру и свойства. Суждение о совместимости можно составить из анализа диаграмм состояний бинарных систем (рис. 7.1).

а б в

Рис. 7.1. Равновесные диаграммы состояний бинарных систем сплавов: а – компоненты системы не взаимодействуют ни в жидком, ни в твердом состояниях; б – компоненты системы образуют непрерывный ряд твердых растворов; в – система с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге и эвтектикой

Как видно из рис. 7.1,а компоненты никак не взаимодействуют ни в жидком, ни в твердом состояниях. Эти металлы совместимы. Металлы, диаграммы которых представлены на рис. 7.1,б, в, при комнатных и невысоких температурах могут быть совместимы, так как степень их взаимодействия при этом невысока. Высокие температуры повышают их химическую активность, усиливающую взаимодействие, что приводит к их несовместимости.

Определенное влияние на характер и скорость физикохимического взаимодействия оказывают содержащиеся в контактирующих материалах и окружающей среде примеси (чаще всего газовые), допустимые содержания которых необходимо установливать заранее.

Взаимодействие материалов со средой имеет химическую, электрохимическую, физико-химическую и физическую природу. Химическим взаимодействием является окисление металлов в газовой среде и в сухом паре (без конденсации влаги на поверхности металла), т.е. образование оксидов, гидридов, нитридов, карбидов и других химических соединений. При контакте металлов и сплавов с влажным воздухом и водой возникает электрохимическая коррозия. Физико-химическое взаимодействие имеет место при раство-

446

рении металлов и сплавов в жидких металлах. Разрушение поверхности металла под действием быстро движущейся среды (кавитации) может быть примером физического взаимодействия. Указанные процессы развиваются на границе раздела материал–среда и приводят к коррозионному разрушению поверхностного слоя эксплуатируемых изделий, изменению их состава, структуры и свойств.

7.1.2.Коррозия. Основные понятия и определения

Всвете современных представлений коррозию рассматривают как самопроизвольное поверхностное разрушение металлических материалов вследствие физико-химического взаимодействия их с компонентами окружающей среды.

Всистеме международной стандартизации это понятие рассматривается как физико-химическое взаимодействие между металлом

исредой, в результате которого изменяются свойства и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла, среды или включающей их технической системы. Процесс коррозии представляют как эволюцию термодинамической системы, состоящей из металла и жидкой и/или газообразной среды. Изменение в любой части коррозионной системы, вызванное взаимодействием компонентов системы, называется коррозионным эффектом.

Металлическое состояние практически всех металлов (кроме некоторых благородных) является неустойчивым, и при взаимо-

действии с окислительным компонентом (О2, СО, SO2, Cl и др.) окружающей среды они переходят в более устойчивое окисленное состояние. Реакция окисления металла сопровождается потерей металлом электронов и образованием новых веществ – продуктов коррозии, состоящих из оксидов, гидроксидов, солей и других соединений корродирующего элемента. Видимые продукты атмосферной коррозии сплавов железа, состоящие в основном из гидратированных оксидов, называют ржавчиной, а продукты газовой коррозии – окалиной.

Цветные металлы не ржавеют, а корродируют. Неметаллические материалы, например пластмассы, могут набухать или трескаться,

447

дерево – расслаиваться или гнить, а бетон крошиться. К таким материалам, подвергающимся воздействию внешних эксплуатационных факторов, в том числе и действию микроорганизмов, приме-

няют термин старение, или деструкция.

Количество металла, превращенного в продукты коррозии за определенное время, относят к коррозионным потерям. Коррозионные потери массы металла с единицы поверхности или толщина прокорродировавшего слоя металла в единицу времени характери-

зуют скорость коррозии.

В некоторых случаях химическое взаимодействие металла и среды сопровождается физическим разрушением в результате механического повреждения от истирания или ударов частиц среды (например, теплоносителя). Такое разрушение называется коррози-

онной эрозией, или коррозионным износом. Разрушения могут вы-

зываться и другими процессами, такими как проникновение в металл водорода, приводящего к водородному охрупчиванию, или взаимодействие его с легкоплавким металлом.

Эффект повреждений, связанный с потерями механической прочности металла, называют коррозионным разрушением, а продвижение повреждений в глубину материала в единицу времени –

скоростью проникновения коррозии.

Таблица 7.1

Оценка коррозионной стойкости при равномерной коррозии

(по ГОСТ 13819-68)

Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды называется коррозионной стойкостью. Химическая стойкость металлических материалов зависит не только от природы, состава и структуры самого материала, но также от состава технологической среды, гидродинамических условий эксплуатации изделий. Материалы, стойкие в одних условиях, оказываются совершенно нестойкими в других. Алюминий устойчив во влажном воздухе, но неустойчив в растворах NaCl; медь устойчива в разбавленной Н2SO4, но неустойчива в концентрированной; железо устойчиво в концентрированной НNO3, но неустойчиво в разбавленной.

Коррозионную стойкость определяют количественно скоростью коррозии в данных условиях, качественно – группой или баллом стойкости по принятой шкале (табл. 7.1).

7.1.3. Коррозионные проблемы

Металлические изделия и конструкции составляют наиболее значительную и ценную часть основных производственных фондов любой промышленно развитой страны; их защита от коррозионного разрушения является важной экономической проблемой. Потери от коррозии в странах мира составляют около десятой части национального дохода. Коррозия растет с увеличением металлического фонда государства и разрушает до трети всего производимого металла.

Различают прямые и косвенные коррозионные потери.

Под прямыми потерями понимают стоимость капитального и текущего ремонта преждевременно вышедших из строя из-за коррозии машин, оборудования и коммуникаций или их полной замены, а также дополнительные и эксплуатационные расходы на их защиту от коррозии. К прямым потерям относят и безвозвратные потери металла в виде продуктов коррозии и потери от истирания, которые достигают 10 % от начальной массы металла.

К косвенным потерям относят экономические затраты, связанные с отказом в работе и простоем металлического оборудования вследствие: загрязнения его продуктами коррозии (например, накопление ржавчины в трубопроводах); потерей продуктов (масла,

449

газа, воды и др.) через прокорродировавшую систему; загрязнением чистого продукта продуктами коррозии; допусками на коррозию при проектировании оборудования. Сюда же относятся и невосполнимые потери при авариях.

Для организации и проведения эффективной борьбы с коррозией необходимы фундаментальные коррозионные исследования, а также внедрение комплекса противокоррозионных мероприятий на стадии проектирования.

Экономический фактор является главной движущей силой большинства прикладных коррозионных исследований. Второй важный аспект исследований – повышение надежности оборудования, которое в результате коррозии может разрушаться с катастрофическими последствиями. Надежность – важнейшее условие при разработке оборудования АЭС и систем захоронения радиоактивных отходов. Третьим аспектом исследований является сохранность металлического фонда, мировые ресурсы которого ограничены. Не менее важно, что человеческий труд, затрачиваемый на проектирование и восстановление металлического оборудования, пострадавшего от коррозии и ее последствий, может быть направлен на решение других общественно полезных задач. Основой же дальнейшего прогресса в этой области должны стать фундаментальные исследования процессов коррозии.

7.1.4.Роль термодинамики и химической кинетики при исследовании процессов коррозии

Основной причиной коррозии металлов и сплавов является их термодинамическая неустойчивость в различных средах при данных внешних условиях. Степень термодинамической неустойчивости металла зависит как от свойств металла или сплава, так и от характера коррозионной среды и внешних условий. Количественно она может быть охарактеризована знаком и величиной изменения изобарного потенциала G при протекании соответствующей коррозионной реакции (см. п. 4.2).

Для определения направления реакции (например, окисления металла) рассматривают изменение энергии Гиббса G из-за ее

450