1. Атомно-кристаллическое
строение металлов. Основные типы
кристаллических решеток металлов.
Явление полиморфизма.
Атомы в Ме и в других кристаллических
тв.т., располагаются в пространстве
закономерно, периодически повторяясь
в 3-х измерениях через определенные
промежутки, т.е. они образуют кристаллическую
решетку. Существует 7 основных типов
к/р: 1). Обемно центрированная кубическая
(ОЦК): кристаллическая ячейка характеризуется
компактностью, т.е. отношением
объема занятыми всеми атомами к объему
элементарной ячейки. Координационное
число (К) – число атомов находящихся на
одинаковом и наименьшем расстоянии от
выбранного атома. N –
число атомов принадлежащих данной
элементарной ячейки. Данная к/р присуща:
α-Fe, Cr, Mo,
W, V. (А) 2).
Гранецентрированная кубическая: γ-Fe,
Al, Cu. (Б) 3).
Гексагональная: a=b/c.
α-Ti, Zn. Если
c/a=1,633
(гексагональная плотно упакованная).
a=b/c.
(В) 4). тетрагональная: a=b/c,
α=β=γ=90°. Мартенсит. Ряд Ме (Fe)
в зависимости от t и
давления может существовать в состоянии
с различными типами к/р, т.е. им присущ
полиморфизм (аллотропия).
2. Механизм
процесса кристаллизации сплавов. Процесс
кристаллизации бывает первичным и
вторичным, при этом под первичным
понимают когда Ме переходит из жидкого
в твердое, если кристаллизация протекает
в твердом, то это вторичный процесс.
Существует t
плавления и t
кристаллизации. Переход из одного
состояния в другое происходит под
действием термодинамического фактора.
Энергетическое состояние системы
имеющей огромное число охваченных
тепловым движением атомов характеризуется
особой термодинамической функцией (F –
свободная энергия системы) при этом
можно сказать, чем больше свободная
энергия системы, тем система менее
устойчива и при наличии возможности
система переходит в состояние с меньшей
свободной энергией. Рассмотрим
кристаллизацию с точки зрения
термодинамики:
Процесс кристаллизации рассматривается
в 2 стадии: а). образование зародышей
(центров крист-ии); б). рост центров.
Из схемы видно: 1). процесс сначала
ускоряется пока в какой-то момент времени
(как правило 50% крист-ии) взаимное
столкновение не начинает заметно
препятствовать росту при этом кол-во
жидкости уменьшается. 2). пока кристалл
окружен жидкостью он часто имеет
правильную форму, но за счет столкновения
и срастания кристаллов правильная форма
нарушается. Скорость процесса крист-ии
количественно опр. 2 факторами: 1). скорость
роста кристаллов; 2). число зарождающихся
кристаллов в ед. времени. с.к. – скорость
роста кристаллов. ч.ц. число центров.
Радиус крист-ии: rкр=2γ/Δf,
где γ – поверхностное натяжение.
Уравнение Петча-Хола: σт=σo+kd-1/2
, где σт –
предел текучести поликристаллов, σo
– предел текучести тела зерна, k –
коэффициент, d – средний диаметр зерна.
3. Анизотропия свойств. Строение металлического слитка.
Анизотропия свойств:
распределение атомов в к/р носит не
однородный характер, различие св-в в
зависимости от направления нез-ся
анизотропия.
Произвольности ориентировки каждого
кристалла приводит к тому, что в любом
направлении располагается приблизительно
одинаковое кол-во кристаллов. В результате
этого поликристалл имеет одинаковые
св-ва во всех направлениях, но св-во
каждого кристалла составляющего
поликристалл зависит от направления.
Это явление получило наз-ие
квазианизотропия.
Строение металлического слитка: структура
литого Ме состоит из 3 основных зон. 1 –
наружная мелкозернистая корка (возникает
в следствии большой степени переохлаждения);
2 – зона столбчатых кристаллов (образуются
из не большого числа центров крист-ии,
которые растут перпендикулярно стенкам
изложницы, в следствии направленности
в отходи тепла); 3 – зона равноосных
кристаллов (образуется в центре слитка,
где нет направленного товода тепла и
малая степень переохлаждения); 4 –
усадочная раковина (брак).
4. Дефекты
кристаллического строения. В
действительности реальные кристаллы
содержат те
А)
Б)
|
или иные дефекты: 1). Точечные
(нульмерные) - это нарушение периодичности
к/р, размеры которых во всех измерениях
сопоставимы с размерами атомов
(межузельные атомы, вакансии) А). 2).
Линейные (одномерные): поперечные размеры
линейных дефектов не превышают нескольких
межатомных расстояний, а длина может
достигать размеры кристалла.
Дислокации
– линии вдоль и вблизи которых нарушена
правильное периодическое расположение
атомных плоскостей кристаллов. Дислокация:
винтовая, краевая. Плотность дислокации
– это отношение суммарной длины всех
дислокаций к единице объема [см
-2].
3). Поверхностные (двумерные) – это
нарушение периодичности к/р. Обладают
большими размерами в 2-х направлениях,
а в 3-ем только несколько межатомных
расстояний (границы зерен, дефекты
упаковки, двойники, внешние поверхности
кристаллов). 4). Объемные (трехмерные) –
обладают значительными размерами в 3-х
направлениях (коры, трещины, несплошности).
5. Наклеп, возврат и рекристаллизация, характер изменения свойств сплавов при этом.
А)
Б)
|
Упрочнение Ме при холодной
пластической деформации наз-ся
наклепом.
С увеличением степени холодной деформации
(ниже 0,15 – 0,2 от t плавления) σв,
σо2, HB – повышаются,
а пластичность уменьшается. Пластическое
деф-ие переводит Ме в структурно не
устойчивое состояние при нагреве
происходит явление возвращающее Ме в
более устойчивое сосояние А).
Возврат
(отдых) - снятие искажения решетки в
процессе нагрева деф-ого Ме. В процессе
возврата несколько снижается прочность
и растет пластичность.
Первичная
рекристаллизация – это
образование новых равноостных зерен
вместо ориентированной волокнистой
структуры.
Вторичная
(собирательная)
рекрист-ия
– это рост новых рекристализованных
зерен Б). Уравнение Бочвара: Трек=аТпл,
где Трек – t рекрист-ии, Тпл – t
плавления, а – меняется от материала.
Нагрев при Трек приводит к резкому
снижению предела прочности при
одновременном возрастании пластичности.
6. Общая
характеристика сплавов. Компонент,
фаза, система. Виды взаимодействия
компонентов в сплавах. Правило фаз.
Связь между свойствами сплавов и типом
диаграммы состояния. Сплав – это
вещество которое получают сплавлением
не менее 2 элементов. В основу Ме сплавов
легли Ме их суммарная доля не менее 51%,
менее 51% не Ме сплав. Ме сплавы обладают
св-ами Ме. Строение Ме сплавов более
сложное чем у чистого Ме и зависит от
того в какие взаимодействия вступают
компоненты образующие сплав. Компонент
– хим. элемент образующий сплав. Система
сплавов –
это множество сплавов, которые отличаются
концентрацией компонентов. Фаза
– однородная, иногда малая по объему
часть системы, которая имеет 1 агрегатное
состояние, обладает одинаковыми св-ами
в любой ее части. Она отделяется от
других частей сплава границей раздела
при переходе через которую наблюдается
скачек физикомеханических св-в. В тв.
состоянии внутри сплава компоненты
могут взаимодействовать:
А)
Б)
|
1). не взаимодействуют между
собой с образованием мех-ой смеси A и B
(
эвтектика
– это легко сплавная мех-ая смесь
состоящая из компонентов или фаз). А)
(вверху и внизу разные св-ва). 2). компоненты
образуют хим. соединение nA+mB→AnBm. Хим.
соединения могут быть образованы между:
а). Ме и НеМЕ; б). Ме и Ме (интерметалит).
3). образование тв. растворов. Тв. раствор
представляет собой одну фазу в которой
атомы одного компонента находятся в
к/р другого комп. Виды тв. растворов (Б):
внедрения и замещения. Тв. растворы
замещения делятся на: ограниченные и
не ограниченные. При не ограниченной
растворимости любое кол-во атомов A
может замещено атомами B. Вид диаграммы
состояния зависит от того в какие
взаимодействия вступают комп-ты между
собой.
Правило фаз:
C=K+1-Ф, где С – число степеней свободы, К
– кол-во компонент в сплаве, Ф – число
фаз находящихся в равновесии, 1 – число
внеш-их факторов (t).
7.
Диаграмма
состояния I
рода (с образованием механической смеси
компонентов). Правило отрезков, определение
с его помощью химического состава фаз,
фазового и структурного состава, весовой
доли. Примеры построения кривых охлаждения
с применением правила фаз. Оба
ком-та неограниченно растворимы в L
состоянии, а в тв. нерастворимы и не
образуют
хим. соединений.
Правило
отрезков: из заданной
точки диаграммы состояния необходимо
провести отрезок горизонтали влево и
вправо до пересечения с границами
ближайших однофазных областей, а затем
на этом отрезке необходимо отметить
все его точки контакта с однофазными
областями. Фазовый состав сплава опр.
по принадлежности каждой отмеченной
точки к однофазной области (точка h
указывает на фазу а, точка i на фазу L,
т.е. в точке g фазовый состав а+L). Хим.
состав фаз определяется по проекции
отмеченных точек на ось конц-ии (в фазе
а (точка h) содержится 0% B, в фазе L (точка
i) содержится i'%B). Весовую долю фазы опр.
по правилу рычага (если в сплаве более
2 фаз, то правило рычага не применяется),
т.е. как отношение противолежащей фазе
части отрезка по всей его длине
(Qa=(gi/hi)*100%;
QL=(hg/hi)*100%).
Чтобы опр. структурный состав нужно
отрезок горизонтали проводить до
пересечения с границами областей
структурных составляющих.
8. Диаграмма
состояния II
рода (с неограниченной растворимостью
компонентов в жидком и твердом состояниях).
Правило отрезков, определение с его
помощью химического состава фаз, фазового
и структурного состава, весовой доли.
Примеры построения кривых охлаждения
с применением правила фаз. Оба
компонента неограниченно растворимы
как в L,
так и в тв. и не обратимы
хим. соединения. Комп-ами являются: A и
B, фазами: жидкость L и тв. раствор с.
Структура всех
сплавов данного типа при комнатной t
будут подобными, однородные кристаллы
тв. раствора α,
являются ед. структурной составляющей.
Правило
отрезков:
из заданной точки диаграммы состояния
необходимо провести отрезок горизонтали
влево и вправо до пересечения с границами
ближайших однофазных областей, а затем
на этом отрезке необходимо отметить
все его точки контакта с однофазными
областями.
9. Диаграмма
состояния III
рода (с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии). Правило
отрезков, определение с его помощью
химического состава фаз, фазового и
структурного состава, весовой доли.
Примеры построения кривых охлаждения
с применением правила фаз. Оба
комп-та неограниченно растворимы в
жидком состоянии,
ограниченно растворимы в
тв. и не образуют хим. соединений. Комп-ами
являются: вещества A и B; фазами: жидкость
L и тв. растворы α и β. Кристаллы βII
выделяются из тв. раствора
наз-ся вторичными кристаллами, в отличии
от первичных β кристаллов выделяющихся
их L.
Правило отрезков:
из заданной точки диаграммы состояния
необходимо провести отрезок горизонтали
влево и вправо до пересечения с границами
ближайших однофазных областей, а затем
на этом отрезке необходимо отметить
все его точки контакта с однофазными
областями
10. Диаграмма
состояния IV
рода (с устойчивым химическим соединением).
Правило отрезков, определение с его
помощью химического состава фаз, фазового
и структурного состава, весовой доли.
Примеры построения кривых охлаждения
с применением правила фаз. Оба
комп-та неограниченно растворимы в L
состоянии, не растворимы в тв. и образуют
хим. соединения. Комп-ами являются: A и
B; фазами: L, A, B, хим. соединения An, Bm;
структурный состав: кристаллы A, B, An, Bm,
кристаллы эвтI
и эвтII.
Правило
отрезков:
из заданной точки диаграммы состояния
необходимо провести отрезок горизонтали
влево и вправо до пересечения с
границами ближайших
однофазных областей, а затем на этом
отрезке необходимо отметить все его
точки контакта с однофазными областями.
