materialovedenie_kurs_lektsiy_ (Ответы по материаловедению (курс лекций)), страница 3

Внутри каждого зерна имеетсяопределенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентациирешеток соседних зерен.Полиморфизм. Некоторые металлы в зависимости от температуры могутсуществовать в различных кристаллических формах. Это явление называетсяполиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одноговещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от однойкристаллической формы к другой называется полиморфным превращением.Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α,β, γ, δ и т. д., причем, α соответствует модификации, существующей при наиболеенизкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта,марганца, титана и некоторых других металлов.Важное значение имеет полиморфизм железа.

На рис. 5 изображена криваяохлажденияжелеза.Полиморфныепревращенияхарактеризуютсягоризонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходитполная перекристаллизация металла. До 911° С устойчиво Fea, имеющеекубическую объемно-центрированную решетку. В интервале 911-1392° Ссуществует Fey c кубической гранецентрированной кристаллической решеткой.При 1392-1539° С вновь устойчиво Fea. Часто высокотемпературную модификациюFea обозначают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768° С связана не сполиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств.

До 768° Сжелезо магнитно, а выше — немагнитно.Рис. 5. Кривая охлаждения железаДефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристаллвсегда имеет дефекты кристаллического строения. Они подразделяются наточечные, линейные и поверхностные.Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектамотносятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки вкоторых отсутствуют атомы (рис. 6,а), а также замещенные атомы примеси (рис.6,6) и внедренные атомы (рис. 6,в) которые могут быть как примесными, так иатомами основного металла.

Точечные дефекты вызывают местные искажениякристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаленияот дефекта.Рис. 6. Схемы точечных дефектов в кристаллахЛинейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большуюпротяженность в третьем. Эти дефекты называют дислокациями. Краеваядислокация (рис. 7) представляет собой искажение кристаллической решетки,вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости.Рис.

7. Схема краевой дислокацииПоверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся,например, границы между отдельными зернами или группами зерен.Наклеп и рекристаллизация. При пластической деформации изменяется нетолько форма и размеры металла, но также его внутреннее строение имеханические свойства. Зерна разворачиваются, деформируются и сплющиваются,вытягиваясь в направлении деформации. Образуется волокнистая структура.

Приэтом прочность и твердость металла повышаются, а пластичность и вязкостьснижаются. Явление упрочнения металла при пластической деформацииназывается наклепом.Волокнистое строение и наклеп могут быть устранены при нагреве металла.Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве (до 300-400°Сдля железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется.

При нагреве до болеевысокой температуры в металле происходит образование новых равноосных зерен.Этот процесс называется рекристаллизацией. Наклеп при этом снимаетсяполностью.Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называетсятемпературой рекристаллизации. Абсолютная температура рекристаллизации Трсвязана с абсолютной температурой плавления простой зависимостью:Тр=а∙Тптгде а — коэффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для особочистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3-0,4, для сплавова = 0,5-0,6.Если деформирование металла происходит при температуре, которая вышетемпературы рекристаллизации, то наклеп после деформации не возникает. Такаядеформация называется горячей. При горячей деформации идут одновременнопроцессы упрочнения и рекристаллизации.

Деформация, которая происходит нижетемпературы рекристаллизации, называется холодной.2.2 Металлические сплавыМеталлическим сплавом называется материал, полученный сплавлениемдвух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающийметаллическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называютсякомпонентами. Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюсяопределенными составом и строением и отделенную от других частей сплаваповерхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характервзаимного расположения фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющиминазывают обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущимиим характерными особенностями.Виды сплавов но структуре. По характеру взаимодействия компонентов всесплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химическиесоединения и твердые растворы.Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они неспособны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент приэтом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механическихсмесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонентаВ.

Свойства механических смесей зависят от количественного соотношениякомпонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствамсвойства смеси.Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и Ввступают в химическое взаимодействие.

При этом при этом соотношение чиселатомов в соединении соответствует его химической формуле AmBn. Химическоесоединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается откристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеютоднородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят вкристаллическую решетку другого. Твердые растворы замещения образуются врезультате частичного замещения атомов кристаллической решетки одногокомпонента атомами второго (рис. 6,6.). Твердые растворы внедрения образуютсякогда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решеткукомпонента -растворителя (рис.

6,в.). Твердый раствор имеет однороднуюструктуру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединениятвердый раствор существует не при строго определенном соотношениикомпонентов, а в интервале концентраций. Обозначают твердые растворыстрочными буквами греческого алфавита α, δ, β, τ, и т. д.Диаграмма состояния. Диаграмма состояния показывает строение сплава взависимости от соотношения компонентов и от температуры. Она строитсяэкспериментально по кривым охлаждения сплавов (рис. 8). В отличие от чистыхметаллов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервалетемператур.

Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критическиеточки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (tл), начинаетсякристаллизация. В нижней критической точке, которая называется точкой солидус(tс), кристаллизация завершается. Кривая охлаждения механической смеси (рис. 8,а)отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8,6) наличиемгоризонтального участка.

На этом участке происходит кристаллизация эвтектики.Эвтектикой называют механическую смесь двух фаз, одновременнокристаллизовавшихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенныйхимический состав и образуется при постоянной температуре.Рис. 8. Кривые охлаждения сплавов: а - механической смеси, б - твердого раствораДиаграмму состояния строят в координатах температура-концентрация.Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Виддиаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. Дляпостроения диаграммы состояния используют большое количество кривыхохлаждения для сплавов различных концентраций.

При построении диаграммыкритические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяютсялинией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы илиструктурные составляющие. Линия диаграммы состояния на которой приохлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, алиния на которой кристаллизация завершается — линией солидус.Виды диаграмм состояния. Диаграмма состояния сплавов, образующихмеханические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворениякомпонентов в твердом состоянии.

Поэтому в этом сплаве возможно образованиегрех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммыявляется линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинаетсякристаллизация компонента А, а на участке CD — компонента В. Линия DC Вявляется линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и припостоянной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э.

Сплавыконцентрация которых соответствует точке С диаграммы называютсяэвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику. Сплавы,расположенныенадиаграммелевееэвтектического,называютсядоэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтектики. Те сплавыкоторые на диаграмме расположены правее эвтектического, называютсязаэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженныеэвтектикой.Рис.

9. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смесиДиаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов втвердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образованиедвух фаз: жидкого сплава и твердого раствора а.

На диаграмме имеется всего двелинии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.Рис. 11. Диаграмма состояния сплавов сРис. 10. Диаграмма ссостояния сплавов с ограниченнойнеограниченнойрастворимостью компонентов в твердомрастворимостьюсостоянииДиаграмма состояния сплавовс ограниченной растворимостью компонентовв твердом состоянии показана на рис. 11. В этом сплаве могут существовать три.фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердыйраствор β компонента А в компоненте В.

Данная диаграмма содержит в себеэлементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия ADCEB— линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтектический,доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходитвыделение вторичных кристаллов аII и βII (вследствие уменьшения растворимости спонижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов из твердойфазы называется вторичной кристаллизацией.Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение (рис.12)характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношениемкомпонентов в химическом соединении AmBn.

Эта линия делит диаграмму на двечасти, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов,образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12изображена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует схимическим соединением механическую смесь.Рис. 12. Диаграмма состояния сплавов образующих химическое соединение3. Сплавы железа с углеродом3.1 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавовДиаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строенииосновных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокойтвердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3.Имеет полиморфные модификации (см.