Лекции по "Материаловедению"

 Кристаллы с неправильной формой называются зернами или кристаллами. Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

 Д.В. Черновым установлено,  что процесс кристаллизации состоит  из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Гораздо позже Тамман, изучая процесс кристаллизации, установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.

 Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами или зернами.

 Рост зародышей  происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, каждый слой имеет одноатомную толщину. Различают два элементарных процесса роста кристаллов.

 Образование двумерного  зародыша.

 Рост двумерного  зародыша путем поступления атомов из переохлажденной жидкости. После образования на плоской грани двумерного зародыша дальнейший рост нового слоя протекает сравнительно легко, так как появляются участки, удобные для закрепления атомов, переходящих из жидкости.

 Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации.

Термические кривые охлаждения при кристаллизации чистых металлов

Переход металла из жидкого  состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс  кристаллизации может протекать  только при переохлаждении металла  ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

ΔТ=Тп-Тк.

Термические кривые, характеризующие  процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью v,.

При очень медленном  охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой  к равновесной Тп. На термической  кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка  в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые v2, v3) и процесс  кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Чем больше скорость образования  зародышей и меньше скорость роста  их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное  зерно. С увеличением степени  переохлаждения скорость образования  зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна металла  сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет  мелкое зерно.

10.Диаграмма состояния для сплавов свинца с сурьмой. Правило фаз. Правило отрезков.

Диаграммы состояния  для сплавов, образующих механические смеси индивидуальных компонентов. В качестве примера на рис. 3.4 приведена диаграмма плавкости системы свинец - сурьма, эвтектика которой состоит из чистых компонентов Pb и Sb и называется простой эвтектикой. Свинец и сурьма – металлы главных подгрупп IV и V группы периодической системы элементов соответственно, но свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке, а сурьма – в тригональной.

Линия AEB на диаграмме называется линией ликвидуса (от лат. liquor − жидкость). Каждая точка этой линии своей ординатой указывает температуру, при которой начинается кристаллизация остывающего расплава, а абсциссами − составы этих расплавов. Выше линии ликвидуса располагается область существования гомогенной системы жидкого раствора из Sb и Pb. В этой области число степеней свободы С = К + n − Ф = 2 + 1 −1 =2, т.е. и температура и состав раствора могут изменяться независимо. Число внешних параметров n = 1, так как в открытой системе давление считается постоянным.

Точка Е с координатами ω(Pb) = 83 % и Т_Е = 246 ⁰С − точка эвтектики. В этой точке происходит кристаллизация всего расплава и образуется эвтектическая смесь, в которой микрокристаллы компонента А (Sb) равномерно распределены по объему эвтектического сплава. Система трехфазная  и число степеней свободы С = 2 + 1 − 3 = 0. Такая нонвариантная система может существовать только при строго определенных температуре и концентрации. При других соотношениях металлов в исходном расплаве к эвтектике будут примешаны ранее выпавшие кристаллы Sb или Pb.

 Линия KEL – линия солидуса (от лат. solid − твердый). Ниже этой линии жидкая фаза существовать не может. Области, ограниченные линиями солидуса и ликвидуса, − области кристаллизующихся Sb или Pb из растворов, обогащенных Pb или Sb соответственно. В каждой из областей системы двухфазная и число степеней свободы С = 2 + 1 −2 = 1, т.е. температура является функцией концентрации или наоборот.

 

Рис. 3.4. Диаграмма плавкости системы свинец - сурьма при постоянном давлении.

Эвтектики применяются  для практических целей. Так, для  пайки свинцовых водопроводных  труб издавна применяется легкоплавкий припой - третник, состоящий из двух частей олова и одной части  свинца, очень близкий по составу к эвтектическому сплаву этих металлов.

Правило фаз и правило  отрезков.

Диаграмма состояния  – это графическое изображение  состояния любого сплава изучаемой  системы в зависимости от его  концентрации и температуры.

Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.

В любой системе число  фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних  условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены  общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.

Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).

Обычно все превращения  в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.

Уравнение правила фаз  позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.

Компонентами называются вещества, образующие систему.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто  пользуются методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время—температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и  количество каждой фазы. В любой  точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих  практически чистых зерен при  ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов  на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии  компонентов друг на друга снижается  температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной  смесью одновременно закристаллизовавшихся  мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба  компонента, называется эвтектической  температурой.

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.

Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние  сплава, проводят горизонтальную линию  до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно  определить количественное соотношение  фаз. Отрезки данной линии между  заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных  диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В  однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области  характеризует ее концентрацию.

11. Углеродистые  стали. Влияние углерода и постоянных  примесей на свойство сталей.

Углеродистые  стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

1. По качеству
2. По способу раскисления (см. ниже)
3. По качеству
4. Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными  номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полуспокойная), кп (кипящая), которые  ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного  качества: А, Б и В. В марках указывают  только группы Б и В, группу А не указывают.

Группа А поставляются только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пластичность.

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного  номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут  подвергаться деформации (ковке, штамповке  и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.

Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и  по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными  цифрами 08, 10, 15, ..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали  делят на две группы: с обычным  содержанием марганца (до 0,8 %) и с  повышенным содержанием (до 1,2 %). При  обозначении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей  или полуспокойной стали в  конце марки указывается степень  раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.