Основные вопросы, объясняющие материаловедение

Введение

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.

Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.

Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами.

материаловедение наука компонент сплав

 

Атомно-кристаллическое строение металла

Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.

В узлах кристаллической решетки располагаются атомы.

Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.

Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.

Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки.

Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах

1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.

1кХ=1,00202 А

На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.

В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.

Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.

2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.

Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.

3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.

4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.

В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.

Примеры:

ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe;

ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe;

ГПУ – бериллий … .

Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.

Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.

На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.

Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.

Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.

От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.

Кристаллографические обозначения атомов, плоскостей и направлений

Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z.

ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)

Под индексами кристаллографических плоскостей и направлений было вызвано потребностью объяснить зависимость свойств металлов от направлений кристаллографических плоскостей. Иными словами, дать объяснение с точки зрения техники понятие влияния анизотропии.По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.

Неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле и называется анизотропией.

Любой кристалл – анизотропен. Однако, поскольку реальные металлы состоят из большого числа зерен (на 1 см2 – десятки тыс. зерен) создается впечатление, что металл изотропен, т.к. каждое из зерен ориентировано по-своему – это явление получило название квазианизотропией (ложной).

Поэтому, если испытывать металл по различным направлениям, то свойства его будут одинаковы. Деформирование металлов приводит к ориентации зерен, а также кристаллографических плоскостей в направлении деформации. Закономерная ориентация кристаллографических плоскостей в направлении действующих нагрузок называется текстурой.

Дефекты кристаллического строения или реальное строение атома

Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки колеблются. В любой момент в кристалле всегда проявляются атомы, имеющие большую энергию по сравнению с близлежащими атомами. При чем этой энергии хватает не только на то, чтобы атомы вышел из своего узла, но и на то, чтобы он преодолел потенциальные барьеры, выстраиваемые на его пути близлежащими атомами.

В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом.

Как в первом, так и во втором случаях кристаллическая решетка искажается вокруг дефекта на несколько атомных периодов.

Вокруг вакансий решетка как бы искажается, пытаясь залечить вакансию, а вокруг дислоцированного атома – наоборот. Вакансию иначе называют «дыркой».

Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ( )

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

В деформированных = 106...108см-2

Поверхностные дефекты. К ним относятся границы зерен, фрагментов, блоков.

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

Упругая и пластическая деформации

Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае – по касательной.

Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

При чем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

Механические свойства металлов

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

В первоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжении пц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается.

пц – получила название предел пропорциональности, который равен:

пц=Рпц/Fо, Мпа

При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический):

т=Рт./F о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пределом текучести.

02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%;

в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца.

Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:

 - относительное удлинение;

 - относительное сужение.

К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

Наклёп

Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

Возврат

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=aTпл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.

Холодная и горячая деформация

Холодная деф. проводиться при тем-рах ниже тем-ры рекристаллиз. и сопровождается наклёпом (наготовка).

Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией.

Основы кристаллизации металла

При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

F - изменение свободной энергии системы

Исходя из вышесказанного меньше свободной энергии после нагрева выше температуры TS является жидкое состояние, ниже температуры TS кристаллическое. Температура TS называется теоретической температурой плавления (кристаллиз.). Однако ни процесса плавления ни процесса рекристаллиз. при этой температуре проходить не может т.к. свободные энергии при TS жидкого и кристаллич. состояния будут равны: Fж = Fкр . Для того, чтобы пошел процесс рекристаллиз. металл необходимо переохладить относительно теоретической температуры TS. В этом случае свободная энергия кристалл. состояния будет меньше по-сравнению с жидк. состоянием.

Температура, при которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения.

На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет температуру TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

Процесс кристаллизации металлов состоит из двух стадий:

а) из стадии зарождения центров кристаллизации

б) из стадии их роста

Для жидкого состояния характерен ближний порядок в расположении атома. Атомы располагаются не хаотически, как в газообразном состоянии и не закономерно, т.е. в определенных узлах кристаллической решетки, как в твердом состоянии. Ближний порядок характеризуется тем, что атомы в микрообъемах жидкости располагаются так, как в твердом состоянии. Однако эти объемы могут рассасываться и возникать вновь. Чем ниже температура, тем больше в жидкости таких микрообъемов. При определенных условиях эти микрообъемы и являются центром кристаллизации. Однако не все центры способны к росту. Если размер центра (зародыша) меньше какой-то величины для данной степени переохлаждения, то этот зародыш растворяется, если больше, то он растет. Минимальный размер зародышей склонных к росту при данной степени переохлаждения, называется критическим и такой зародыш является устойчивым. Чем больше степень переохлаждения, тем меньший размер зародыша способен к росту. Рост зародышей осуществляется путем последовательного присоединения к ним атомов из окружающей жидкости.

Присутствие примеси в металле облегчает процесс центров кристаллизации, т.к. примесь является подложкой, на которой происходит зарождение центров.

Кинетика кристаллизации чистых металлов

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизации n и скоростью их роста m . В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

14,15,16. Основы теории сплавов

Сплавом называют результат сплавления двух или более компонентов. Компоненты - это химически индивидуальные вещества образовывающие сплав.

Фаза – однородная часть системы отграниченная поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно.

В зависимости от характера компонентов, в сплаве могут образоваться хим. соединения, твердые растворы, механические смеси.

Хим. соединения.

Хим. соединения образуются при строго определенном количественном соотношении атомов. Для хим. соединения характерным является то, что кристаллическая решетка его отличается от кристаллической решетки сплавляемых компонентов. Если хим. соединение образуют металлы, то его называют интерметаллидом.

Твердые растворы

Они образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента. Это твердые растворы замещения. Бывают твердые растворы внедрения, твердые растворы вычитания.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.

2) Растворенный компонент.

Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:

а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %

в) Сплавляемие компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.

Твердые растворы внедрения.

Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения.

Твердые растворы вычитания

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

Механические смеси

Некоторые компоненты при сплавлении не взаимодействуют с образованием хим. соединений или твердых растворов. Они образуют механические смеси. Механические смеси отличаются от хим. соединений и твердых растворов тем, что в них сохраняются типы решеток характерных для сплавляемых компонентов.

Диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния представляет собой графическое отображение состояния сплава в зависимости от температуры, давления и концентрации. Диаграмма есть наглядное отображение устойчивых фаз при комнатной температуре. Мера устойчивости фаз определяется законом Гиббса или правилом фаз. Правило фаз устанавливает связь между числом степеней свободы, числом фаз и компонентов. Под числом степеней свободы понимают число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз выполняется : с = к - ф + 2, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления.

С учетом правила фаз, как объясняющего процесс кристаллизации, кристаллизацию металлов, которая протекает при постоянной температуре можно объяснить следующим образом:

С12 =1-1+1=1С2=1-2+1=0 С2`-3=1-1+1=1

Для двухкомпонентных систем, которые мы будем рассматривать в случае с=0 процесс будет происходить при постоянной температуре, при с=1 или с=2 с изменением температуры по времени.

Диаграмма состояния для двух компонентной системы образует механическую смесь. Диаграмма состояния строятся в координатах температур (ось ординат) и концетрация компонентов (ось абсцисс).