Шпаргалка по "Материаловедению"

• относительное удлинение:

l_о и l_к – начальная и конечная длина образца;

Δl_ост – абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

относительное сужение:

F_о – начальная площадь поперечного сечения;

F_к – площадь поперечного сечения после разрыва.

Ударная вязкость(КС) характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Определяется динамическим методом-ударом маятникого копра, разрушается стандартный образец. Характеристикой вязкости является удельная работа разрушения:   КС , где: Fплощадь

поперечного сечения в  месте надреза.

Ударную вязкость обозначают KCV, KCU, KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рисунок, позиция в).

4.Кристаллическое  строение металлов. Полиморфизм.

В твердых телах атомы  могут размещаться в пространстве двумя способами:

Аморфные тела (стекло, сажа, уголь)- беспорядочное расположение атомов, когда они не занимают определенного места друг относительно друга.                                                                                              Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т.е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Однако они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации.

Кристаллические тела - упорядоченное  расположение атомов, когда атомы  занимают в пространстве вполне определенные места  Благодаря упорядоченному расположению атомов в пространстве, их центры можно соединить воображаемыми прямыми линиями. Совокупность таких пересекающихся линий представляет пространственную решетку, которую называют кристаллической решеткой.

Решетки:

1. Решетка ОЦК(объемноцентрированная кубическая) Атомы в узлах решетки совершают колебания 10¹³кол/сек. Металлы, имеющие эту решетку: натрий, калий, литий, титан, железо, хром, вольфрам.
2. Решетка ГЦК (гранецентрированная кубическая). Металлы, имеющие эту решетку: алюминий, медь, железо, золото, серебро, платина, никель.
3. Тетрагональная решетка. Металлы, имеющие эту решетку: закаленная сталь, кобальт.
4. Решетка ГПУ  (гексагональная плотноупакованная) Металлы, имеющие такую решетку: магний, цинк, титан.

Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны  при нагревании или охлаждении изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической  решетки. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.                                                                             Под анизотропией понимается неодинаковость механических и других свойств в кристаллических телах вдоль различных кристаллографических направлений. Она является естественным следствием кристаллического строения, так как на различных кристаллографических плоскостях и вдоль различных направлений плотность атомов различна.

Реальные металлические  тела являются поликристаллическими(поликристалл- агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Явление анизотропии у них отсутствует.

5. Дефекты кристаллического  строения. Зависимость прочности  от плотности дислокации.

В кристаллической решетке  реальных металлов имеются различные  дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают  влияние на свойства металлов. Различают  следующие структурные несовершенства:                                                                                                                                          1)точечные – малые во всех трех измерениях;                                                                                                        2)линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;                                     3)поверхностные – малые в одном измерении.                                                                                                                                                             Точеные дефекты 
 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, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот. 
Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. 
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях. 
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать. 
Линейные дефекты: 
Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла. 
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.                                                                                                                         Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. 
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости  
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. 
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3). 
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются. 
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация 
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. 
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая. 
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. 
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. 
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. 
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. 
^ Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³ 
 
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. 
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала  
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций  
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины. 
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки. 
Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков  
Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов 
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. 
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один

относительно другого на несколько градусов ( ). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. 
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса ( ). Такую структуру называют блочной или мозаичной.

      Типы сплавов в зависимости от          ….кристаллического строения.

Металлическим сплавом называют материал, состоящий из двух или более компонентов и обладающий свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами. Необходимым процессом получения сплава является диффузия элементов в твердом, жидком или газообразном состоянии. Диффузия осуществляется путем взаимного проникновения частиц каждого из компонентов сплава с образованием новых однородных тел, называемых фазами.     

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).                                                                                     

  Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от ее других частей поверхностью раздела. Однофазной системой являются, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллических веществ.                          

 Структура-форма, размер, количество и порядок расположения фаз.                                            

Эвтектика - мелкодисперсная смесь кристаллов.                                                               

 Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы. Компонент сплавов может быть основным, легирующим или случайным.                                                                                                            Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на 3 группы: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь компонентов.                                                                   

 Твердый раствор. В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность, а следовательно и растворимость, сохраняется. Твердый раствор, как и металл, имеет одну кристаллическую решетку, соответствующую типу кристаллической решетки основного компонента сплава (растворителя). Различие состоит в том, что в кристаллической решетке металла размещаются атомы одного элемента, а в твердом растворе – атомы различных элементов, образующих этот твердый раствор.

По характеру размещения атомов в кристаллической решетке различают  твердые растворы замещения

В твердых растворах замещения, состоящих из компонентов А и В, атомы растворимого компонента В замещают отдельные атомы основного компонента А – растворителя в кристаллической решетке. В этом случае при несовпадении размеров атомов размер элементарной ячейки может изменяться. Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной или ограниченной. Неограниченная растворимость обеспечивает замещение в кристаллической решетке любого числа атомов компонента А атомами компонента В.

Неограниченная растворимость  возможна при следующих условиях:                                                     

 1) наличие у компонентов кристаллических решеток (элементарных ячеек) одного типа;                        

 2) незначительное отличие размеров атомов компонентов (не более чем на 8 %);                                        

  3) достаточно близкое соответствие строения валентных оболочек атомов компонентов (тип химической связи). Примерами сплавов с неограниченной растворимостью компонентов являются сплавы Cu–Ni, Fe–Ni, Fe–Cr и др.

Если компоненты сплава не полностью  удовлетворяют указанным выше условиям, образуются твердые растворы замещения  с ограниченной растворимостью компонентов.При этом чем больше разница в размерах атомов компонентов, тем меньше растворимость в твердом состоянии. С изменением температуры ограниченная растворимость в твердом состоянии обычно меняется. Примерами систем с ограниченной растворимостью компонентов являются Al–Cu, Mg–Al и др.

В твердом растворе внедрения атомы  растворимого компонента внедряются в  междоузлия кристаллической решетки основного компонента (рис. 3.3,б). Такие твердые растворы обычно образуются, когда атомы растворимого компонента имеют небольшие размеры по сравнению с атомами растворителя. Чаще всего это имеет место, когда в металле растворяются неметаллические элементы. Примером твердого раствора внедрения является сплав Fe–C. На диаграмме железо - углерод твердые растворы:  аустенит и феррит.                                                                                                                                                                                                                                           Химическое соединение. Элементы, образующие химические соединения, обычно резко отличаются по размерам атомов, строению электронных оболочек и параметрам кристаллических решеток.  Образуется новая сложная кристаллическая решетка, отличающаяся от кристаллических решеток, образующих ее компоненты.                                                                                                                               Примером может служить сплав Cu–Mg при содержании 17 % Mg.  На диаграмме железо-углерод химическое соединение: цементит.                                                           Механическая смесь. Образование механических смесей происходит, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также при наличии химического соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. Образуется одновременно две кристаллические решетки. Механические смеси бывают: эвтектические и эвтектоидные. Механические смеси на диаграмме железо-углерод: эвтектическая линия-ледебурит, эвтектоидная линия-перлит. Примером сплава, образующего механическую смесь, является система Ag–Pb.

7.Пять основных типов диаграмм состояния.

Система. Системой называют группу тел (веществ), которую выделяют из прочих окружающих тел и в которой  наблюдают интересующие явления. Для  металлических сплавов системой будет являться совокупность фаз, находящихся  в состоянии равновесия. Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной; система, состоящая из двух и более фаз – гетерогенной.                                                                                                                                 Фаза. Фазой называют однородную (гомогенную) составную часть системы, имеющую  одинаковый состав, строение и свойства, одно и тоже агрегатное состояние и отделенную от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.                                                               Структура. Под структурой понимают форму, размеры, количество и характер взаимного расположения соответствующих фаз.                                                                                                               Компонент. Компонентами называют независимые индивидуальные вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы.                                                                                        Металлический сплав – вещество, обладающее металлическими свойствами, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. В металлических сплавах компонентами являются чистые металлы и неметаллы, а также химические соединенияОбщие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или законом Гиббса.                                                Правило фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы С, числом компонентов К и числом                                                                                                                                    

С = К – Ф                                                                                            

Независимыми переменными  в уравнении правила фаз являются концентрация, температура, давление. Если признать, что все превращения  происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшается на единицу и уравнение правила фаз примет следующий вид:                               С = К – Ф + 1. Число степеней свободы С (вариантность) показывает, сколько переменных могут       изменяться в системе одновременно и независимо друг от друга, без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.                                                                                                                            Для случая, характеризуемого уравнением (2), таких переменных две – температура и концентрация.                                                                                                                                                 Если С = 2 (система бивариантная), то в рассматриваемой области и температура, и концентрация могут изменяться независимо друг от друга. Это значит, что никаких превращений в сплаве не происходит (например, в жидком расплаве из двух компонентов С = 2 – 1 + 1 = 2).                                                                                                                                              Если С = 1 (система моновариантная), то это значит, что в данной области при изменении одного параметра (например, температуры сплава) одновременно по определенному закону изменяется и второй (концентрация). На кривой охлаждения будет наблюдаться перегиб (например, сплав из двух компонентов в области первичной кристаллизации будет иметь С = 2–2+1=1).                                                                                                                                                      Если С = 0 (система нонвариантная), то это значит, что оба параметра (температура и концентрация) должны оставаться постоянными до окончания данного превращения. На кривой охлаждения будет наблюдаться горизонтальная площадка при температуре этого превращения (например, сплав из 2-х компонентов при эвтектических концентрациях и температуре будет иметь С = 2–3+1=0).                                                                                       Диаграммы состояния или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Они дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах при нагревании и охлаждении, что может быть использовано при оценке физико-химических, механических и технологических свойств сплава и позволяет рационально подойти к выбору материалов для изготовления изделий.                                                                                    Диаграммы состояния двойных систем строят в координатах “концентрация компонентов - температура”. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Каждая точка на диаграмме определяет фазовый и химический состав сплава, а также его структуру при данной температуре.                                                                                                                                                           В зависимости от взаимной растворимости и характера взаимодействия компонентов различают разные типы диаграмм состояния. Рассмотрим пять основных типов диаграмм.