Материаловедение

Главное свойство кристалла – то, что его атомы расположены в правильной трёхмерной периодичности.

Свойства кристаллического материала во многом определяются структурой решётки его кристалла. Расстояние между одними и теми же атомами в аморфных и кристаллических телах одинаковы. Для кристаллов характерен дальний порядок, т.е. можно однозначно указать местоположение каждого атома с помощью координат. В аморфных телах можно указать радиус координационной сферы и число атомов на ней (т.н. ближний порядок).

Элементарная ячейка – минимальная часть кристаллической решётки, перемещением которой можно создать всю решётку.

a , c и b называются трансляциями; a, c, b, , ,  – параметры элементарной ячейки.

Классификация кристаллов

Классификация по сингониям:

1. Триклинная: .

2. Моноклинная: ; пример: Pu

3. Р омбическая (орторомбическая): ; пример: U

4. Ромбоэдрическая: .

5. Тетраэдрическая: .

6. Гексагональная: . Эту решётку имеет большинство металлов: Ti, Zr, Mg.

7. Кубическая: ; примеры: Fe, Ni, Mo, Nb.

Классификация по базису:

Кристаллографические обозначения

(узел, направление, плоскость)

Т очка: , направление: . Т.к. направления и идентичны, то говорят о направлениях типа . Обозначение: (т.к. ). Таким образом, . Если , то – 48 направлений, и – 24 направления, – 12 направлений.

Индексы плоскости – числа. обратные длинам отрезков, отсекаемых плоскостью на осях.

Плоскость ABC отсекает отрезки с длинами 1, , . Тогда обозначение её: . Плоскости ABC и CDE идентичны, т.е. зависят только ориентации системы координат. Плоскости типа ABC обозначаются так: .

У гексагональной решётки для удобства вводится четвёртая ось.

Классификация дефектов кристаллического строения

1. 0-мерные (точечные) – малы во всех трёх измерениях (т.е. имеют атомарные размеры). Варианты: вакансии и межузельные атомы.

2. Одномерные (линейные).Пример: дислокации.

3. Двумерные (поверхностные). Пример: граница зерна (микрокристалла в поликристалле).

4. Трёхмерные (объёмные) – трещины и т.п.

При некоторой концентрации вакансий и межузельных атомов в кристалле будет минимум энергии. – концентрация вакансий. Для достижения минимума энергии концентрация межузельных атомов должна быть много меньше концентрации вакансий.

Л инейные дефекты (дислокации)

Здесь – краевая дислокация – край лишней полуплоскости сверху.

– вектор Бюргерса; он определяет сдвиг дислокации, а по величине равен стороне решётки.

Э нергия краевой дислокации , винтовой , где G – модуль сдвига,  – коэффициент Пуассона, – вектор Бюргерса, r – радиус поля, т.е. половина расстояния между соседними дислокациями, а ближе не работает теория упругости; – расстояние между соседними атомами на границе дислокациями.

Плотности деформации: отожжённый металл – ; деформированный металл – ; облучённый металл – ; полупроводник – .

Поверхностные дефекты

Сплавы

Д иаграммы состояния

1. Диаграмма с эвтектикой, компоненты не растворимы в твёрдом состоянии.

С хема образования эвтектики: сначала кристаллизуется вещество A, затем на него кристаллизуется вещество B, затем – снова А и т.д.

Д иаграмма 4: FCG – ликвидус, FDKG – солидус. Перитектическая реакция: .

Нонвариантные реакции

Правило фаз: , где C – число степеней свободы, K – число элементов (обычно – A и B), f – число фаз. Без учёта давления . Для эвтектики , т.к. в ней присутствуют три фазы:  и -растворы и жидкость. Нонвариантная реакция – реакция, проходящая при . Пример – отвердевание расплавленного металла (при этом ).

Диаграмма .

Ф – феррит, L – жидкость, А – аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледебурит. Феррит (или при низких температурах и при высоких) – твёрдый раствор углерода в железа; имеет ОЦК-решётку. Аустенит (или ) имеет ГЦК-решётку. PQ и CS – линия предельной растворимости. Вещество, находящееся правее точки C называется сталью, левее – чугуном. То, что находится за 6,67% углерода зрупко и обычно непригодно к использованию. MN – линия магнитного превращения. Ниже MN располагаются ферромагнетики, выше – парамагнетики.

В точке S: – эвтектоид, перлит, на верхней горизонтальной линии (слева направо: BgH): . – ледебурит.

Стали с содержанием углерода до 0.83% называются доэвтектоидными. Они содержат зёрна феррита (светлые) и перлита (тёмные). Чем больше углерода, тем больше перлита. Стали с содержанием углерода 0.83% называются эвтектоидными. Они содержат пластинчатый или зернистый перлит. Стали с содержанием углерода более 0.83% называются заэвтектоидными. Из них обычно используются стали с содержанием углерода до 1.3%. Микроструктура заэвтектоидных сталей: зёрна перлита, окаймлённые избыточным цементитом.

Чугуны плохо поддаются обработке с помощью пластической деформации, но обладают лучшими литейными свойствами, чем сталь. Углерод в чугуне может находиться в виде или в виде графита. Форма и расположение включений графита могут влиять на свойства материала. Если жидкий чугун быстро охлаждать, то получится смесь аустенита и цементита, хотя энергетически выгоднее смесь аустенита и углерода. Однако цементит легче образуется и лучше вписывается в матрицу аустенита. При медленном охлаждении получается смесь аустенита и углерода.

Белый чугун получается при достаточно быстром охлаждении расплава. Весь углерод в нём находится в виде цементита. Он твёрдый и хрупкий, практически не поддаётся обработке резанием, используется для получения изделий литьём. В изломе имеет матово-белый цвет. Во всех остальных видах чугунов углерод находится в виде графитовых пластинок, червеобразных прожилок, а также шарообразных и хлопьевидных выделений. Последние получаются при отжиге белого чугуна, когда разлагается.

Различают серый чугун (графит в виде прожилок), ковкий чугун (хлопьевидные выделения) и высокопрочный чугун (графит шаровидный). Наилучшие – ковкий и высокопрочный чугуны.

Фазовые превращения

И зменение энергии при отвердении , где – удельная энергия по объёму,  – удельная энергия зародыша по поверхности, S – поверхность зародыша. Если зародыш шарообразный, то . Минимальный радиус будет при – критический радиус зародыша. Если совершается переход в твёрдом состоянии из одной фазы в другую, то к выражению для изменения свободной энергии добавляется слагаемое – энергия, связанная с типом решётки.

Фазовые превращения в стали

1. При нагревании стали выше точки P (см. диаграмму ) происходит переход перлит  аустенит.

2. При охлаждении ниже точки P происходит переход аустенит  перлит.

3. При быстром охлаждении аустенита ниже точки P происходит неравновесный переход, называемый мартенситным превращением.

Диаграмма изотермического распада аустенита:

– переохлаждение, D – скорость диффузии, – разность энергий между аустенитом и перлитом, v – скорость превращения. – мартенситное превращение – коллективное сдвиговое превращение: ГЦК решётка переходит в ОЦК с помощью дислокации, проходящей сквозь кристалл. Происходит также ориентационное упорядочивание: углерод располагается вдоль оси c, т.к. .

Закалкой стали называется нагрев выше точки P и охлаждения со скоростью меньше критической.

Отпуск стали состоит из четырёх стадий:

1. Нагрев закалённой стали до температуры ниже . При этом мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. В итоге получается -карбид: с гексагональной решёткой.

2. Нагрев до 300С. При этом аустенит переходит в мартенсит отпуска и -карбид.

3. Выделение углерода: мартенсит отпуска переходит в феррит, -карбид – в цементит.

4. Коагуляция фаз и снятие напряжений.

Низкий отпуск включает в себя первые две стадии, средний – 4, высокий – вдобавок нагрев до . Тепловая обработка для конструкционных сталей состоит из закалки и высокого отпуска, что называется улучшением.

Старение – это распад пересыщенного твёрдого раствора.

В пересыщенном твёрдом растворе возникают зоны Гинье-Престона – неоднородности концентрации с избытком элемента B.

Степень несоответствия фазы и матрицы: , где и – периоды решётки и матрицы.

+

Механические свойства материала

– предел текучести. При , где – модуль Юнга. При начинается необратимая пластическая деформация – движение дислокаций. – предел прочности. и – показатели прочности материала. – относительная деформация, – относительное сужение (для стержня диаметром ). d и  – показатели пластичности материала.

Температура хрупко-вязкого разрушения – температура, выше которой материал разрушается вязко, т.е. образуется шейка, по которой и происходит разрушение. При температуре меньше критической образец быстро разрушается под углом в 45.

Ударная вязкость

определяет энергию, затраченную на разрушение.

Коррозионные свойства материалов

При контакте металла с воздухом происходит поглощение кислорода (абсорбция), который потом образует соединение или твёрдый раствор (адсорбция). В случае несплошной коррозионной плёнки , где h – толщина плёнки, t – время. Для сплошной плёнки . Возможна также кубическая зависимость: . При низкой температуре .

Электрохимическая коррозия

П ри контакте воды с поверхностью металла возможно отделение иона металла от других ионов и окружение его полярными молекулами воды (гидратация). Видно, что такой гидратированный ион заряжен положительно. Если он останется у поверхности металла, то вероятность выхода второго такого иона уменьшится, следовательно, коррозия прекратится. Обычно этому мешает броуновское движение и ток воды.

Углеродистые и легированные стали

Легирующие элементы – элементы, добавленные в сталь искусственно. Примеси – элементы, попавшие в сталь в процессе обработки.

Углеродистые стали бывают качественные и обычного качества. Качественные детали обозначаются так: «Ст. 40». Число 40 обозначает содержание углерода (0.40%). Стали обычного качества делятся на три группы:

1. Группа А. Сталь этой группы не предназначена для термообработки, зато гарантируются её пластические свойства, которые возрастают с номером стали.

2. Группа Б – у этой стали гарантируется химический состав.

3. Группа В – гарантируются механические свойства и химический состав. Часто эта сталь предназначается для сварки.

Другие обозначения: способ производства: М – мартен, К – конвейер; состояние на выходе из печи: КП – кипящая, ПС – полуспокойная, СП – спокойная.

О бозначения некоторых легирующих элементов:

Элемент	Обозначение	Элемент	Обозначении
Cr	Х	редкоземельные	Ч
Ni	Н	Ti	Т
Mo	М	Nb	Б
W	В	B	Р
V	Ф	Al	Ю
Cu	Д

Пример маркировки легирующих сталей: ОХ18Н10Т: «О» – количество углерода (по справочнику), Х18 – 18% хрома, Н10 – 10% никеля, Т – меньше 1 % титана. Буква «А» в конце означает, что сталь улучшенная (в середине – «азот»).

Влияние легирующих элементов на свойства стали

1. Атомы легирующих элементов занимают места в узлах феррита и цементита, улучшая свойства прочности и пластичности.

2. Легирующие элементы образуют свои карбиды («специальные карбида»): ; т.к. у них склонность к карбидообразованию выше.

3. Легирующие элементы изменяют схему фазовых превращений в стали.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Н а рисунке изображена зависимость скорости закалки от координаты вдоль радиуса цилиндрического бруска. При закаляется только внешняя часть бруска.

Классификация легированных сталей по структуре

1. Классификация Гийе – по структуре после нормализации (нормализация – это нагрев выше и охлаждение с принятой стандартной скоростью (на воздухе)).

Стали по классификации Гийе бывают перлитного, аустенитного, ферритного и мартенситового классов.

2. Классификация Обергофера – по структуре сталей после отжига (равновесной структуре): доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, аустенитные, ферритные и ледебуритные. При этом ледебуритные стали – такие стали, в которых присутствуют карбидные элементы.

Коррозия в сталях аустенитного класса

К оррозия аустенитной стали очень мала – порядка 4 мкм/год, но у неё может наблюдаться коррозия по границам зерён.

Схема коррозии в сталях с большим количеством хрома: границы в сталях обогащаются углеродом (т.к. это выгоднее энергетически) выше нормы. Там он соединяется с хромом, содержание которого вскоре падает ниже 12%, после чего начинается коррозия. Для предотвращения этого следует: понизить содержание углерода, избегать при обработке температур около 500С (т.к. при этих температурах перемещение углерода происходит наиболее быстро), можно добавить элементы Ti или Nb, т.к. они лучше образуют карбиды, чем хром.

Коррозионное растрескивание происходит, если поверхность металла уже имеет трещины. На самом дне трещины такой химический потенциал, что коррозия может происходить с очень большой скоростью – до 4 мм/год.

Пластическая деформация и отжиг деформированных металлов

Плотность деформаций отожжённого металла , деформированного .

У прочнение металлов

1. Механизм Пайерса-Набарро:

2. На начальном (необозначенном) участке кривой происходит упругая деформация, I – стадия лёгкого скольжения деформаций, II – стадия линейного упрочнения, III – динамический возврат (или стадия параболического упрочнения).

На первой стадии работа внешних сил тратится на создание дислокаций. На второй стадии взаимодействие движущейся дислокации и дислокации «леса» задерживает первую дислокацию, увеличивая прочность материала. На месте соприкосновения двух дислокаций возникает ещё одна дислокация, задерживающая дальнейшее движение. На третьей стадии происходит преодоление этого барьера.

3 . Вокруг линии дислокации скапливаются атомы с размерами, не совпадающими с матричными: мелкие – в области сжатия, крупные – растяжения. Совокупность таких атомов называют атмосферой Катрелла. В результате получается зависимость напряжения от относительной деформации, изображённая на рисунке. Площадь между сплошной и пунктирной кривыми характеризует энергию взаимодействия атмосферы с дислокациями.

4. Взаимодействие дислокацией с границами зерён. Напряжение, необходимое для движения дислокаций – формула Холла-Петча. – напряжение для монокристалла, d – размер зерна, k – постоянная.

5. Упрочнение частицами вторых фаз.

М еханизм задержки дислокаций: когда дислокация подходит к границе, её встречает упругое поле, зависящее от параметры несоответствия . Получается перерезание (механизм Мота-Набарро). Площадь фазы увеличилась, что и задержало дислокацию (для преодоления препятствия требуется дополнительная работа внешних сил).

В распавшемся твёрдом растворе дислокации огибают некогерентные выделения (механизм Орована). Этот механизм наиболее эффективный.