ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
Точечные дефекты. Точечные дефекты (рис.2.6) малы во всех трех измерениях. К ним относятся вакансии (узлы кристаллической решетки, в которых атомы отсутствуют), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла (примеси замещения) или внедряться между атомами основного металла (примеси внедрения). Вакансии образуются в результате того, что в кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых больше средней, соответствующей данной температуре нагрева. Если такие атомы расположены вблизи поверхности решетки (на границе зерна, трещины, поверхности металла), то они могут переместиться на поверхность кристалла, а их места в узлах кристаллической решетки занимают атомы, расположенные дальше от поверхности. В результате такого перемещения некоторые узлы кристаллической решетки оказываются свободными, т.е. образуются вакансии. Число вакансий при комнатной температуре невелико, но оно значительно возрастает при повышении температуры. Количество вакансий вблизи температуры плавления может достигать 1% по отношению к числу атомов в кристалле. Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля в результате тепловых колебаний атомов. Наличие примесных атомов объясняется обязательным присутствием примесей, которые есть даже в самом чистом металле. Точечные дефекты определяют процессы диффузии в металлах и сплавах, оказывают влияние на некоторые физические свойства (электропроводность, магнитные свойства). Линейные дефекты. Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Такие дефекты называются дислокациями. Дислокацией называют искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней лишней полуплоскости (экстраплоскости) (рис.2.7). Вокруг дислокации решетка упруго искажена и имеет повышенную энергию. Дислокации оказывают большое влияние на механизм пластической деформации в металлах. В кристаллах идеального строения для осуществления пластического сдвига необходимо приложить значительные внешние напряжения, поскольку требуется разорвать все межатомные связи в плоскости скольжения одновременно. В кристаллах реального строения пластический сдвиг осуществляется при меньших внешних напряжениях. Это объясняется тем, что под действием напряжений дислокации скользят (перемещаются), что сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, т.е. связи разрушаются постепенно, одна за другой (рис.2.8). Дислокации исчезают, когда процесс скольжения завершен и в кристалле произошел сдвиг. Дислокации в кристаллах могут перемещаться при очень малых напряжениях, меньших 104Па. Поэтому наличие дислокаций делает кристалл легко деформируемым. Дислокации называют положительными или отрицательными в зависимости от их расположения относительно плоскости скольжения (рис.2.9). Такое разделение условно. Знак дислокации важен лишь при анализе их взаимодействия. Сближение дислокаций разного знака приводит к их аннигиляции. Дислокации могут образовываться в процессе кристаллизации металлов путем слияния вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Они не могут обрываться внутри кристаллита, поэтому дислокации образуют замкнутые петли и пространственные сетки. Плотность дислокаций измеряют числом дислокационных линий, пересекающих площадку 1см2. Поскольку пластическая деформация в кристаллитах облегчается за счет скольжения дислокаций, то упрочнение металла может быть достигнуто за счет создания препятствий на пути движения дислокаций. Препятствиями могут служить другие дислокации, атомы примесей, границы зерен, и т.д. Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении. Такими дефектами являются поверхности раздела между отдельными зернами. Граница зерна представляют собой переходную область шириной до 10 межатомных расстояний, в которых решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего другую кристаллографическую ориентацию. Переходный слой имеет сложное строение, в нем нарушено правильное расположение атомов, повышена концентрация примесей, имеются скопления дислокаций. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций. Дислокация не может перейти границу зерна, т.к. в новом зерне плоскость скольжения не совпадает с плоскостью движения этой дислокации. Протяженность границ тем больше, чем меньше величина зерна. Поскольку увеличение протяженности границ зерен создает больше барьеров перемещению дислокаций, измельчение зерна приводит к повышению пределов прочности и текучести металлических материалов. Зависимость предела текучести от величины зерна следующая:  (и – постоянные величины материала, D – размер зерна).6.Первичная кристаллизация. Параметры кристаллизации. Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое (с образованием кристаллической решетки). Любое вещество может находиться в одном из четырех агрегатных состояний: в твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энергией взаимодействия атомов. Стабильным при определенных внешних условиях является состояние, обладающее при этих условиях минимумом свободной энергии. Свободная энергия – часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия вещества является суммой потенциальной энергии (энергии взаимодействия) и кинетической энергии частиц (электротепловые колебания). Часть внутренней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое, называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньше её запас, тем более равновесным является состояние вещества. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис.3.1). В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна нулю. Таким образом, процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например температуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состояния (рис.3.2). Выше температуры более стабильным является жидкое состояние, т.к. металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При температуре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это означает, что металл может находиться бесконечно долго в обоих состояниях, т.к. переход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура получила название теоретической температуры кристаллизации. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится возможным при охлаждении жидкости ниже . Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения. Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «температура – время» (рис.3.3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка (участок 2 кривой охлаждения), т.к. отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое, температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Процесс кристаллизации начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров. Таким образом, процесс кристаллизации можно характеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ч.ц.к.,  ), образующихся в единицу времени в единице объема и скоростью роста кристаллов (с.к.,). Было установлено, что эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристаллизации металла. Причем для каждой степени переохлаждения эти параметры могут иметь только одно значение (правило Г.Таммана). Графическое изображение зависимости ч.ц.к. и с.к. от степени переохлаждения представлены на рис.3.4.При теоретической температуре кристаллизации () значения ч.ц.к. и с.к. равны нулю, кристаллизация проходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ч.ц.к. и с.к. возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к , подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлаждения значения ч.ц.к. и с.к. достигают максимума, после чего снижаются. Снижение значений ч.ц.к. и с.к. при больших степенях переохлаждения объясняется уменьшением подвижности атомов при низких температурах. Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ч.ц.к. и с.к., т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые растут с большой скоростью (рис.3.4). В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения ч.ц.к. велико. Поэтому даже при достаточно большом значении с.к. структура металла получится мелкозернистой. Получение аморфных веществ. При больших степенях переохлаждения (высоких скоростях охлаждения) вследствие уменьшения скорости диффузии образование центров кристаллизации затруднено. В этом случае после затвердевания может быть получено аморфное состояние. Металлы и сплавы на основе металлов в аморфном состоянии называются металлическими стеклами. Аморфная структура в металлах и сплавах образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения – 106 °К/с и выше (скорость охлаждения при получении отливок традиционным способом 1°К/с). Основным способом получения металлических стекол является закалка из жидкого состояния. При этом способе в специальной камере в среде аргона расплавленный металл тонкой струей поступает на вращающийся с большой скоростью охлаждаемый медный диск. При непрерывной подаче жидкого металла образуется лента с аморфной структурой. Свойства металлических стекол отличаются от свойств металлов в кристаллическом состоянии. Металлические стекла обладают сочетанием высоких механических, магнитных и антикоррозионных свойств. Поскольку аморфная структура является нестабильной, при нагреве до определенных температур, (0,40,65), происходит переход аморфного состояния в кристаллическое. Поэтому применение металлических стекол ограничено температурой. Кроме того, их выпускают только в виде тонких лент, нитей, фольги, поскольку при больших сечениях невозможно добиться сверхвысоких скоростей охлаждения. Металлические стекла используют в микроэлектронике и радиоэлектронике. 7.Закон Таммана. Диаграмма Тамман   ч.ц. – число центров, с.к. – скорость кристаллизации. Чем больше переохлаждение, тем меньше зерно. В крупных изделиях очень трудно получить мелкое зерно. Чем выше скорость кристаллизации, тем металл менее прочен.8.Модифицированние металлов. Модифицирование – это введение в жидкий металл дополнительных центров кристаллизации с целью получения мелкозернистой структуры, обладающей более высокими значениями прочности и пластичности по сравнению с крупнозернистой структурой. Модификатор должен иметь тот же тип кристаллической решетки, что и выплавляемый металл, и близкие параметры решетки (отличие не должно превышать 9%), а также более высокую температуру кристаллизации. Модификаторы вводят в жидкий металл в небольших количествах, они практически не изменяют химический состав сплава. В качестве модификаторов при выплавке стали используют ; чугуна – . При введении в сталь, в процессе ее выплавки, алюминия происходит следующая реакция:  . Роль дополнительных центров кристаллизации играет оксид алюминия  , температура плавления которого значительно выше температуры плавления стали (2000°С).9)Строение металлического слитка  1 — мелкокристаллическая корковая зона; 2 — зона столбчатых кристаллов; 3 — внутренняя зона крупных равноосных кристаллов Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера. Теория сплавов. Основы теории сплавов. Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рисунок 2). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода. Рисунок 2 — Схема дендрита по Чернову Д.К. Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией. Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией. Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка. Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты. Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность дислокаций. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка). 10)ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Чистые металлы во многих случаях не обеспечивают требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Более широко используются металлические сплавы. Их получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Основные понятия и термины. Компонентами сплава называются вещества, чаще всего простые, образующие сплав и не изменяющие своего состава при нагреве. Компоненты сплава образуют фазы. Фазой называют однородные части сплава, имеющие одинаковый состав, агрегатное состояние, кристаллическое строение, свойства и отделенные от других частей сплава поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплавах. Типы сплавов: В процессе кристаллизации сплава могут образовываться следующие типы сплавов: твердые растворы, химические соединения и смеси. Твердые растворы. Сплавы типа твердый раствор характеризуются тем, что при их образовании один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (растворимый) – отдает свои атомы в кристаллическую решетку растворителя. Образуется одна кристаллическая решетка, одна фаза. По механизму образования различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис.4.1). При образовании твердых растворов замещения атомы растворимого компонента В замещают атомы растворителя А в его кристаллической решетке. По взаимной растворимости компонентов различают твердые растворы замещения с неограниченной и с ограниченной растворимостью компонентов. В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов возможна любая концентрация растворимого компонента (вплоть до 100%). Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью компонентов образуются при следующих условиях: 1) кристаллические решетки компонентов должны быть одного типа; 2) различие атомных радиусов компонентов не должно превышать 10%. Для образования твердых растворов замещения с ограниченной растворимостью необходимы те же условия, с той разницей, что различие атомных радиусов может быть несколько большим (до 15%). Такие твердые растворы образуют металлы, расположенные рядом в Периодической системе элементов. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворимого компонента В размещаются между атомами компонента растворителя А в его кристаллической решетке. Твердые растворы внедрения образуются только в тех случаях, если диаметр атома растворимого компонента невелик (r£0,6R, где r и R – атомные радиусы растворимого компонента и растворителя, соответственно). Такие твердые растворы возникают между металлами и элементами I и II периодов Периодической системы элементов, имеющими малые атомные размеры . Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: a, b, g и т.д. или А(В), где А – растворитель, В – растворимый компонент. Твердые растворы наиболее близки по свойствам к металлу растворителю. Они, как правило, пластичны, хорошо деформируются в холодном и в горячем состояниях. Химические соединения. Для химических соединений характерно следующее: 1) кристаллическая решетка химического соединения отлична от кристаллических решеток образующих его компонентов; 2) свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов, которые его образовали; 3) атомы в кристаллической решетке химического соединения расположены упорядоченно, т.е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам кристаллической решетки; 4) состав химического соединения можно описать стехиометрической формулой , где m и n – взаимно простые целые числа; 5) химическое соединение характеризуется постоянной температурой плавления; 6) химические соединения имеют высокую твердость и хрупкость. Химические соединения образуют вещества, имеющие большие отличия в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Соединения типа «металл – металл» называются интерметаллидами. Соединения типа «металла – неметалл» имеют разные названия в зависимости от неметаллического материала: нитрид (неметалл – азот), карбид (неметалл – углерод), оксид (неметалл – кислород) и т.д. Интерметаллиды характеризуются металлическим типом связи, а соединения металлов с неметаллами – ионным. Смеси. Смеси образуют компоненты, которые не растворяются друг в друге в твердом состоянии, а также не способны к химическому взаимодействию с образованием соединения. В сплавах типа смесь каждый компонент сохраняет свою кристаллическую решетку. Структура смеси гетерогенная (неоднородная), состоит из нескольких фаз (число фаз соответствует числу кристаллических решеток). Механические свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размеров и формы фаз. |