Лекции по "Материаловедению"

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят  деления (рис. 4, а) и измеряют между  ними расстояние до испытания (l0) и после  разрушения (l) и определяют удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера  машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4, б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах (рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности  образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм2 дает число твердости

6. Понятия:  система, сплав, компонент, фаза.

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами  являются металлы и металлические  сплавы. Чистый металл является простой  однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

7. Составляющие  структуры сплавов ( механические  смеси, твердые растворы, химические  соединения )

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

 Образуются между  элементами значительно различающимися  по строению и свойствам, когда  сила взаимодействия между однородными  атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 4.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно  различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

^ Особенности этих  сплавов:

1.Постоянство состава,  то есть сплав образуется при  определенном соотношении компонентов,  химическое соединение обозначается  Аn Вm/

2.Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов

3. Ярко выраженные  индивидуальные свойства

4.Постоянство температуры  кристаллизации, как у чистых  компонентов

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых  соотношения между компонентов  могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

 Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя

Классификация сплавов  твердых растворов.

 По степеням растворимости  компонентов различают твердые  растворы:

• с неограниченной растворимостью компонентов;
• с ограниченной растворимостью компонентов.

 При неограниченной  растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

 Для образования  растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.
3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

 При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

 По характеру распределения  атомов растворенного вещества  в кристаллической решетке растворителя  различают твердые растворы:

1. замещения;
2. внедрения;
3. вычитания.

 В растворах замещения  в кристаллической решетке растворителя  часть его атомов замещена  атомами растворенного элемента .Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

При образовании растворов  замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных  диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

 Твердые растворы  внедрения образуются внедрением  атомов растворенного компонента  в поры кристаллической решетки растворителя .

 Образование таких  растворов, возможно, если атомы  растворенного элемента имеют  малые размеры. Такими являются  элементы, находящиеся в начале  периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры  атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%

 Твердые растворы  вычитания или растворы с дефектной  решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

 К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.

8. Плавление  и кристаллизация металлов. Термические  кривые охлаждения при кристаллизации  чистых металлов.

Плавление – переход из кристаллического состояния в аморфное – представляет собой один из видов фазовых переходов 1 го рода характеризующихся разрывным изменением объема и энтропии, или теплосодержания.

Кристаллическим телам  свойственна строгая периодичность  в расположении частиц.

При плавлении нарушаются термодинамическая устойчивость кристаллических  решеток и характерный для  твердого состояния порядок. При  плавлении твердые кристаллические  тела теряют постоянство формы, происходит скачкообразное изменение внутренней энергии, объема, энтропии и некоторых других физических свойств металлов и сплавов. Характерной особенностью плавления сплавов в отличие от плавления однокомпонентного вещества является то что они плавятся в некотором интервале температур, зависящем от состава и давления.

Как чистые металлы, так  и сплавы при плавлении претерпевают резкое качественное изменение. Из тел  кристаллических они превращаются в аморфные с характерными для  последних свойствами.

В плавильных агрегатах  тепло, образующееся в результате того или иного процесса, передается твердой металлической завалке. При нагревании происходит тепловое расширение, являющееся результатом увеличивающегося колебательного движения атомов относительно обычного равновесного положения.

С повышением температуры  колебательные движения увеличиваются и твердое тело, проходя через область неустойчивых состояний превращается в жидкое. Для того чтобы этот процесс мог завершиться полностью, в рабочее пространство печи должно поступать такое количество тепла, которое необходимо как для обеспечения отрыва атомов тела от обычного равновесного положения, так и для компенсации различных потерь тепла для сопутствующих плавлению процессов.

Таким образом, процесс  плавления может рассматриваться  как переход из состояния, в котором  атомы расположены правильным образом, образуя кристаллическую решетку, в состояние, при котором решетка уничтожается, т. е. образуется аморфное тело. Следует отметить, что переход в жидкое состояние не всегда приводит к полному уничтожению кристаллической структуры.

Ультрамикроскопические  кристаллические образования в  жидкостях обнаруживаются при температурах, близких к температуре плавления. Геометрическая закономерность в расположении части в таких ультрамикроскопических образованиях оказывается такой  же, как в обычных кристаллах данного вещества. Для полного уничтожения остатков кристаллического строения необходимо дальнейшее повышение температуры, так как только при достаточно высоких температурах ультрамикроскопические кристаллические образования исчезают.

Кристаллизация – это процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. В природе все самопроизвольно протекающие превращения, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

 Переход металла  из жидкого или парообразного  состояния в твердое с образованием  кристаллической структуры называется  первичной кристаллизацией. Образование  новых кристаллов в твердом  кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

 Проследить процесс  кристаллизации металла можно  с помощью счетчика времени  и термоэлектрического пирометра.  Две разнородные проволоки, которые  спаянны концами, погружают в  расплавленный металл и при этом возникающий термоток пропорционален температуре металла, а стрелка милливольтметра отклоняется, она указывает температуру по специально градуированной шкале. Показания пирометра записывают во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах температура – время. Критической точкой называется температура, которая соответствует какому-либо превращению в металле.

 При охлаждении  переход из жидкого состояния  в твердое сопровождается образованием  кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Для того чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления. При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале образуются центры кристаллизации, вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу, и точки их столкновения определяют границы кристаллитов (зерен).

 У аморфных веществ  кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: понятно, что аллотропии у этих веществ быть не может. Механизм кристаллизации металла состоит в том, что при соответствующем понижении температуры внутри тигля с жидким металлом начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации или зародышами.

 Для начала роста  кристаллов из жидкого металла  необходимо, чтобы свободная энергия  металла

 уменьшилась. Если  же в результате образования  зародыша свободная энергия металла  увеличивается, то зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша, а такой зародыш – устойчивым.

 Чем больше степень  переохлаждения, понижающая свободную  энергию металла, тем меньше  критический размер зародыша.

 Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. По мере роста кристаллов в металле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжают возникать новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно.