Шпаргалка по "Материаловедению"

2. Основные  типы и характеристики кристаллических  решоток

Кристаллическая решетка- это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная  ячейка характеризует особенности  строения кристалла. Основными параметрами  кристалла являются:

·  размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

·  углы между осями ( ).

·  координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

· базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

·  плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Основными типами кристаллических  решёток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
• простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
• плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

 

3 Полиморфные превращения в  металлах

Способность некоторых  металлов существовать в различных  кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Примером аллотропического видоизменения  в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

– ГЦК - ;

– ОЦК - ; (высокотемпературное )

Превращение одной модификации  в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при  высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

 

4. Строение и дефекты  слитка. Анизотропия металлов.

                                    

                          Рис 1                                                                              Рис 3

1 – мелкокристаллическая корковая  зона; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – внутренняя зона крупных  равноосных кристаллов

Кристаллизация корковой зоны(1) идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов в(2) зоне имеет  направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы  – дендриты. Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Зоны столбчатых кристаллов(3) в  процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией. Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка).

Одним из распространенных несовершенств  кристаллического строения является наличие  точечных дефектов: вакансий, дислоцированных  атомов и примесей.

Вакансия – отсутствие атомов в  узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в  результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности  в окружающую среду или из узлов  решетки на поверхность (границы  зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации.

Дислокация – это дефекты  кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых  нарушено характерное для кристалла  правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации бывают двух видов: краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой  линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости.

Винтовая дислокация  получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 3) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла..

Анизотропия - это различие одних  и тех же свойств в различных  направлениях. Это довольно широкое  понятие и относится ко многим свойствам вещества и поля. Пример из металловедения: если мы на прокатном стане прокатаем лист (например, стальной), то при испытании его механических свойств увидим, что прочность в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном прокатке, различаются.

 

5. Диаграммы состояния для системы с полной и ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии

Рис.5.1 Диаграмма состояния сплавов  с неограниченной растворимостью компонентов  в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.

Проведем анализ полученной диаграммы.

1. Количество компонентов: К  = 2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора )

3. Основные линии диаграммы:

• acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;
• adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на рис. 5.1,б.

Остальные сплавы кристаллизуются  аналогично сплаву I, кривая охлаждения которого представлена на рис. 5.1, б.

Рис. 5.5 Диаграмма состояния  сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

·  Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.5.5.

1. Количество компонентов: К  = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза  и кристаллы твердых растворов  (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

·  линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

·  линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

·  dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

·  fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

4. Типовые сплавы системы.

При концентрации компонентов, не превышающей  предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью, см кривую охлаждения сплава I на рис. 5.5 б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются

Сплав с концентрацией  компонентов, соответствующей точке  с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных  кристаллов твердых растворов  и , эвт. (кр. тв. р-ра + кр. тв. р-ра )

 

6. Диаграмма состояния  системы железо-графит(стаб состояние)

В результате превращения  углерод может не только химически  взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии  в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.

Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рис. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153^oС и 738^oС. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.

Рис.11.1. Диаграмма состояния  железо – углерод: сплошные линии  – цементитная система; пунктирные – графитная

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния  железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит –  стабильной. Процесс образования  графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

7. Правило отрезков  и правило фаз

Пользуясь диаграммой состояния можно  для любого сплава при любой температуре  определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого используется правило отрезков. Для проведения количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы (ликвидус, солидус или оси компонентов).

а). Определение состава фаз в  точке m:

Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.

Состав  жидкой фазы определяется проекцией  точки пересечения горизонтали  с линией ликвидус p на ось концентрации.

Состав  твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидус q (или осью компонента) на ось концентрации.

Состав  жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии  солидуса.

С понижением температуры состав фаз  изменяется в сторону уменьшения содержания компонента В.

б). Определение количественного соотношения  жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):

Количественная  масса фаз обратно пропорциональна  отрезкам проведенной коноды.Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки.

Количество  всего сплава (Q_сп) определяется отрезком pq.

Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой фазы.

Отрезок, прилегающий к линии  солидус (или к оси компонента) mq, определяет количество жидкой фазы.

Пра́вило фаз (или Правило фаз  Гиббса) — соотношение, связывающее  число веществ (компонентов), фаз  и степеней свободы в гетерогенной системе. Это правило говорит, что  при равновесии системы число  фаз меньше или равно числу компонентов плюс 2.

где n-число фаз, k-число компонентов

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты  А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза  и кристаллы твердых растворов  (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

·  линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

·  линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

·  dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

·  fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

 

9. Влияние углерода  на свойства стали

Углеродистой сталью называется сплав  железа с углеродом, содержащим до 2% С и постоянные примеси: кремний до 0.5 %, марганец до 1%, сера и фосфор до 0.05%

Свойства стали в значительной степени определяются тем, какие  фазы образуются при сплавлении с  легирующими элементами, в результате термической обработки. Основными  структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, перлит, ледебурит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит.

С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая углерода меньше 0.8%, состоит  из феррита и перлита, при содержании С, равном 0.8%, сталь состоит только из перлита, при увеличении содержания углерода более 0.8% в стали кроме перлита появляется вторичный цементит. Изменение химического состава приводит к изменению структуры стали и ее свойств. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности.

Приводимые механические свойства относятся к горячекатанным изделиям без термической обработки, т.е. при  структуре перлит + феррит или перлит + цементит. С увеличением содержания углерода плотность изменяется незначительно от 7.85 до 7.7 г./см.куб., коэрцетивная сила, электросопротивление возрастают на от 3 до 18 Э. и от 0.12 до 0.23 ОМммкв/м, соответственно, при изменении С от 0.2 до 1.6 %. Хрупкой фазой в стали является цементит. Увеличение содержания углерода приводит в стали к образованию структур на основе перлита (феррит + цементит), в связи с чем при С = 0.8 % прочность стали при растяжении начинает падать, а твердость продолжает увеличиваться. Для сохранения прочностных свойств стремятся получить не пластинчатый, а зернистый цементит после термической обработки.

10. Влияние примесей на свойства стали

Постоянными примесями в стали  считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).

Марганец - вводят в сталь при раскислении для устранения вредного влияния закиси железа. Mn повышает прочность горячекатанной стали, прокаливаемость, упругие свойства. При содержании более 1.5% сообщает склонность к отпускной хрупкости. При содержании более 13% и выше придает стали аустенитную структуру, противоударную стойкость, высокую износостойкость. При нагреве способствует росту зерна.