lekcii (774103), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Преобладает рост по одной изплотноупакованных осей кристалла в направлении наибольшегоградиента температур.• Это явление, установленное в конце ХIХ в. выдающимся русским металловедом Д. К. Черновым, получило название дендритная (древовидная)кристаллизация.Д. К. Чернов ввѐл понятие порядок осейкристаллизации, суть которого заключается вветвлении, т. е. в формировании боковыхпреимущественных направлений роста 2-го, 3-го и болеевысоких порядков, рис.5.5.Между ветвями дендрита накапливаются примеси, включения, поры.Рис.
5.5Типичная структура состоит из 3-х зон, рис.5.6. 1- зона мелких,равноосных кристаллов. 2- столбчатые кристаллы. 3- равноосныекрупные кристаллы. Внизу 4-рыхлость, пористость, вверху-5усадочная раковина.5Рис.5.6.4Структура и свойства слитка• Применяя различные технологические приѐмы ( температура разливки,скорость охлаждения и др.) можно изменять соотношение зон илиисключать некоторые (транскристаллическая, равноосная).• Зональная ликвация – химическая неоднородность разных зон слиткавследствие различий в условиях -температуры и времени образования.• Дендритная ликвация – различный хим. состав дендрита в начале иконце образования.• Гравитационная ликвация – возникает вследствие различий вплотности жидкого и твѐрдого металла.
ГЛ недопустима для рядасплавов (антифрикционные).• Непрерывная разливка исключает дефекты усадочной раковины ирыхлость, структура мелкозернистая. Процесс автоматизируется, исключается применение изложниц, обжимного и отрезного оборудования и др.3. Моно и нано кристаллические, аморфные материалы••••Свойства монокристалловБольшое научное и практическое значение имеют монокристаллы, вт.ч.
полупроводниковые кремний, германий, Ti сплавы для лопатокГТД. Они отличаются минимумом структурных дефектов, анизотропией, специфическими физико-механическими свойствами.Монокристаллы получают создавая условия роста из единственногоЦК. Важнейшие методы Бриджмена, Чохральского, космическаяметаллургия.Применение монокристаллов для лопаток ГТД (акад. Каблов Е. Н.)позволило уменьшить микропоры в 10 раз, предел прочности и жаропрочность при Т=1100 град.С выросли в 2 раза, предел усталости в 1,5раза.Монокристаллические нити ряда металлов обладают уникальной,близкой к теоретической прочности, т.
е. в 50-100 раз прочнееполикристаллических.АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ• При сверхвысоких скоростях охлаждения, более 106 °С/сек,диффузионные процессы не успевают происходить, образование ирост ЦК подавляется и образуется аморфная структура, т. е.кристаллы не образуются. Это аморфные металлические сплавы(АМС) или металлические стѐкла.• Аморфное состояние реализуется у многих материалов –легкоплавких, редкоземельных Ме. У переходных Ме необходимодобавлять аморфизаторы (С, Р, В, N, S). При этом состав такогосплава должен отвечать формуле МЕ80Ам20. Например, известносоединение Ni80S20.• Технологические способы получения АМС – катапультированиекапли, центрифугирование капли или струи, распыление струи газомили жидкостью, расплавление поверхности Ме лучом лазера,охлаждением из газовой фазы и др.Свойства аморфных материалов• В структуре АМС отсутствует дальний порядок, границы зѐрен,дислокации, нет зональной ликвации.• Но сохраняются геометрические и химические неоднородностиближнего порядка, что приводит к различной плотности по толщине идлине лент, остаточным напряжениям, изменению свойств.• Границей сохранения аморфного состояния является Тк =0,5Тпл., прискорости нагрева 20 град.
С/ мин. Для стабилизации А сост. применяют отжиг.• Плотность АМС ниже кристаллических, модуль упругости 80-60% открист-х, удельное электросопротивление в 2-4 раза больше крист-х.• АМС Ме-неМе имеют предел прочности 200-400 МПа, удлинениеменее1%, твѐрдость НV 1000-1400. При сжатии деформация 40-50%,лента изгибается на 180 град.
без разрушения. Отсутствует наклѐп,анизотропия, в т.ч. магнитная, коррозионно-активны. АМС с Fe, Cr, P,C напротив, коррозионно-стойкие.НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРАЛЫ• Нанокристаллическими называют матералы (НМ) с размером зѐрен,частиц менее 100 нм. Свойства НМ существенно отличаются даже отмелкокристаллических 5-10мкм.• Свойства НМ определяются размерами зѐрен, свойствами граничногослоя, взаимодействием структурных составляющих с поверхностнымислоями зѐрен.• В НМ доля граничного слоя возрастает при измельчении зѐрен от 100до 5 нм с 6% до 100% полагая толщину слоя в 1 нм (2-3 атомных слоя)• Изделия получают из НМ-порошков по порошковой технологии; контролируемой кристаллизацией АМС; рекристаллизационным отжигоминтенсивно деформированных Ме сплавов.• Исходные порошки Ме, карбидов, нитридов, оксидов, получаютиспарением, размолом, синтезом в плазме, лазерным излучением,термическим разложением, электролизом и др.• Углерод в определѐнных условиях образует фуллерены С60, С70, С82молекула которых представляет оболочку с диаметром 1нм иполостью 0,7нм.Свойства нанокристаллических материалов• Фуллерены удерживают Ме, Н2, О2, примеси.• НМ порошки имеют огромную удельную поверхность до 120 м кв /г,при диаметре 10 нм.
Это создаѐт трудности при транспортировании,переработке и компактировании.• Модуль упругости Е у НМ составляет 70% от обычных аналогов, атвѐрдость в 2-7 раз выше. Предел прочности выше в 1,5-8 раз,текучести в 2-3 раза.• Демпфирующая способность (поглощение энергии колебаний) в 2-3раза выше чем у серого чугуна - хорошего демпфера. ТеплоѐмкостьНМ, коэффициент теплового расширения, удельное электросопротивление, коэрцитивная сила - выше аналогов.• Применение НМ мало изучено и открывает большие возможности.Контрольные вопросы:1. Почему большинство материалов имеет поликристаллическоестроение?2. В чѐм отличие первичной и вторичной кристаллизации?3.
В чѐм отличие гомогенной и гетерогенной кристаллизации?4. Чем определяется переход вещества из жидкого в твѐрдоесостояние и наоборот? Поясните графически.5. Будет ли идти кристаллизация при равновесной температуре?Нарисуйте соответствующий график. Поясните.6. Если тепло поглощается,- идѐт ...(кристаллизация, плавление)вещества?7.
Что называется степенью переохлаждения? Чем онаопределяется?8. Возможно ли в жидком веществе положение атомов,соответствующее твѐрдому?9. Запишите формулу для критического размера зародыша. Какиепараметры влияют на критический размер зародыша?10. Как зависят скорость образования зародышей и скорость ростакристаллов от степенипереохлаждения?Пояснитеграфически.11.Кристаллизирующийсяслитокрастѐт равномерново всехнаправлениях или в преимущественных. Объясните.12.Поясните термин «ликвация». Назовите виды ликвации.13.Какие особенности строения монокристаллов перспективны длясоздания новых материалов. Приведите примеры.14.Поясните термин «аморфные металлические сплавы». В чѐм ихпреимущество?ЛЕКЦИЯ 3• Учебные вопросы:Строение и свойства сплавов.
Дефектыкристаллов•••1.Твердые растворы2.Промежуточные фазы3.Дефекты кристаллов, прочность•••Литература:1. Материаловедение. Учебник для вузов. Арзамасов Б. Н. и др.2008г и др. Стр. 23-36.1.Твердые растворы•••В промышленности применение однокомпонентных (из одногохимическогоэлементаилисоединения)материаловограничено. Более широкий спектр свойств получают используясплавы, - многокомпонентные (2 и более) материалы.Компоненты в сплавах вступают во взаимодействие междусобой, образуя различные по химическому составу, типу связи истроению кристаллические образования – фазы.Фазой называется однородная по химическому составу,строению и свойствам часть кристалла. Фаза от другихотделена поверхностью раздела.Различают твердые растворы и промежуточные фазы.••раствором называется сплав двух и болееТвердымкомпонентов,вкоторомсохраняетсятипкристаллической решетки основного компонента –растворителя.•••Твердые растворы являются кристаллическими фазамипеременного состава.
Атомы растворенного компонента Вразмещаются в кристаллической решетке растворителя –компонента А. Это возможно двумя способами:- замещая атомы А в узлах решетки – твердый растворзамещения, рис.3.1. а);– внедряясь между узлами, в порах решетки – твердыйраствор внедрения, рис. 3.1. б).••••Растворимость замещенных и внедренных атомов можетизменяться в широких пределах. Твердые растворы обозначаютбуквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т. д.Твердый раствор замещения возможен, если атомные радиусыразличаются не более, чем на 15%. Это условие называетсяразмерным фактором.Распределение компонента В в решетке А носит статистическийхарактер.Вокруг растворенного атома возникают местные искажениярешетки, меняются свойства и период решетки.••••Образование твердых растворов сопровождаетсяростомэлектрического сопротивления и снижением ТКЭС.Твердые растворы менее пластичны и более прочные итвердые, чемчистые металлы.
С увеличением различия ватомных радиусах и валентности растворимость компонентовснижается.Врастворахзамещениявозможнанеограниченнаярастворимость. Необходимые условия – размерный фактор, иединыйтипкристаллическойрешетки.Этиусловиявыполняются в сплавах Сu-Au, Сu-Ni, Gе-Si.Вполиморфныхметаллахвозможнанеограниченнаярастворимость если оба компонента имеют одинаковый типрешетки. Например, Fеα неограниченно взаимно растворим в Сr,(ОЦК решетка), а Fеγ с Ni (ГЦК).••••Упорядоченные твердые растворы возникают, если вместостатистического(случайного)распределенияатомыразмещаются в определенном (упорядоченном) порядке.Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояниепроисходит при определенной температуре или интервалетемператур.Температураприкоторойрастворполностью теряет порядок называется температуройКурнакова – θК .Упорядоченные твердые растворы встречаются при полной илизначительнойрастворимостикомпонентов.Полнаяупорядоченность возникает при соотношении компонентов АВили АВ3.
При соотношениях не равных, но близких, возникаетчастичная неупорядоченность. Расположение атомов показанона рис. 3.2.Возникновение и исчезновение порядка сопровождаетсяизменением свойств твердого раствора.••••Рис. 3.2. Кристаллическая решетка сплава Си-Аи.а- неупорядоченный твердый раствор;б- упорядоченный твердый раствор Си3Аи;в- упорядоченный твѐрдый раствор СиАи.• При упорядочении возрастают электропроводность, ТКЭС,твердость, прочность, снижается пластичность сплава,магнитная проницаемость.• Твердыйраствор внедрения возникает при сплавлениипереходных металлов с неметаллами, имеющими малыйатомный радиус – Н2, N2, С, В. При образовании растворавнедрения атом компонента В располагается в порах решеткикомпонента А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
