ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
19. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Правило Н.С. Курнакова. Правило Н.С. Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико–механических свойств сплавов в зависимости от содержания в них компонентов. При образовании смесей значения твердости, прочности, электропроводности и некоторых других свойств изменяются прямолинейно в зависимости от концентрации компонентов. При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением удельного электрического сопротивления, у сплавов оно всегда выше, чем у компонентов, образующих этот сплав. При образовании химического соединения на кривой изменения свойств наблюдается «перелом» при концентрации компонентов, соответствующей химическому соединению, поскольку его свойства резко отличаются от свойств компонентов. Закономерности Н.С. Курнакова 1. Если сплав представляет собой смесь двух фаз, то свойства сплава изменяются прямопропорционально изменению его химического состава. Поэтому для определения свойств подобного сплава достаточно знать свойства фаз, составляющих смесь, а затем построить линейную зависимость изменения свойств от концентрации второго компонента в сплаве. 2. Для однофазных сплавов (твердых растворов) закон изменения свойств – параболический. 1. При образовании смесей (рис. а) Свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значение свой HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/svoistva"HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/svoistva" HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/svoistva"ств спл HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/splavy"HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/splavy" HYPERLINK "http://www.markmet.ru/slovar/splavy"ава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. 2. При образовании твердых растворов (рис. б)свойств сплава изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, в первую очередь электросопротивление, могут значи тельно отличаться от свойств компонентов. Следовательно, при образовании механической смеси электросопротивлениеповышается незначительно, при образовании твердого раствора — весьма сильно. Поэтому распад твердого раствора на две (или более) фазы приводитк повышению электропроводности (закон Курнакова). 3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис. в ) свойства винтервале концентраций, отвечающем однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному, а в двухфазной области диаграммы — по прямолинейному закону, причем крайние точки на прямой являются свойствамичистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. 4. При образовании химического соединения на диаграмме концентрация —Свойства (рис. г) концентрация химического соединения отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае перелом прямой). Эта точкаперелома, соответствующая химическому соединению, называетсясингулярной (особой) точкой. По диаграмме состав —свойства находим стехиометрическое соотношение компонентов данного химическогосоединения определяя, какой концентрации отвечает сингулярная точка.  20. Способы упрочнения сплавов. Бездиффузионные превращения в сплавах в твёрдом состоянии. Превращения в сплавах в твердом состоянии имеют следующие особенности: они изменяют структуру и, следовательно, свойства сплавов; протекают не во всех сплавах; они начинаются с образования центров кристаллизации новой фазы внутри старой, количество которой увеличивается в процессе нагрева или охлаждения за счет постепенного роста ее зерен или увеличения их количества; эти превращения делятся на диффузионные и бездиффузионные. При бездиффузионных превращениях атомы перемещаются на весьма малые расстояния, не более 1–2 периодов кристаллической решетки. Скорость превращений очень велика и значительно превосходит скорости нагрева и охлаждения сплавов при термической обработке, поэтому управлять такими превращениями или регулировать их весьма трудно или невозможно. Примером бездиффузионного превращения может служить полиморфное превращение, например  .Основной принцип, лежащий в основе повышения прочности металлов и сплавов, – создание препятствий, затрудняющих перемещение дислокаций. Упрочнение достигается путем термической обработки или пластической деформации металлов и сплавов, вызывающих изменение структуры, за счет повышения плотности дислокаций, создания гетерогенных структур с большим количеством дисперсных частиц второй фазы, увеличения протяженности межзеренных границ. Перекристаллизация. Этот метод упрочнения основан на бездиффузионных превращениях в сплавах в твердом состоянии. При перекристаллизации (изменении типа кристаллической решетки) упрочнение сплавов достигается за счет измельчения зерен, которое происходит при полиморфном превращении в процессе нагрева и охлаждения сплава. Рассмотрим процесс перекристаллизации на примере сплавов системы «» (рис.6.1). На этой диаграмме –твердый раствор хрома в Fe, а –твердый раствор хрома в Fe. Эти твердые растворы отличаются типом кристаллической решетки: –твердый раствор имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку, а –твердый раствор – кубическую гранецентрированную. Перекристаллизация возможна в сплавах, концентрация хрома в которых ниже определяемой проекцией т.а. Рассмотрим превращения, протекающие при нагреве и охлаждении в одном из таких сплавов. До упрочнения структура сплава состоит из крупных зерен –твердого раствора (рис.6.2,а). Прочность сплава в таком состоянии невелика, т.к. мала протяженность межзеренных границ, которые являются препятствиями на пути перемещения дислокаций. При нагреве сплава данная структура сохраняется до т.1. Точка 1 определяет начало полиморфного превращения в рассматриваемом сплаве. При температуре выше т.1 –твердый раствор становится неустойчивым и по границам его зерен происходит образование новой фазы – , размеры зерен которой значительно меньше зерен –фазы (рис.6.2,б). При дальнейшем повышении температуры (до т.2) количество –фазы увеличивается за счет образования новых мелких зерен. В т.2 полиморфное превращение заканчивается, – фаза полностью заменяется – фазой, имеющей более мелкие зерна (рис.6.2,в). Нагрев выше т.2 (до т.3) не изменяет фазового состава сплава, но приводит к укрупнению зерен –фазы. В связи с этим, при проведении термической обработки сплав нагревают лишь немного выше т.2 (на 3050°С), что гарантирует завершение превращения, но не вызывает увеличение размеров зерен –твердого раствора. После нагрева до указанной температуры и необходимой выдержки сплав охлаждают. Охлаждение выполняют медленно для получения равновесной структуры и снятия напряжений, возникающих при фазовых превращениях. При охлаждении в т.2 начинается обратное полиморфное превращение с образованием по границам зерен кристаллитов –фазы, более мелких, чем у исходной – фазы (рис.6.2,г). При понижении температуры до т.1 количество –фазы возрастает за счет появления новых мелких зерен. В т.1 полиморфное превращение заканчивается., структура сплава, сформированная окончательно в результате двойной перекристаллизации, состоит из мелких зерен –твердого раствора (рис.6.2,д). Таким образом, в результате термической обработки фазовый состав сплава не изменился, а структура стала более мелкозернистой. В результате этого повышаются и прочность, и пластичность сплава. Прочность – вследствие увеличения протяженности межзеренных границ, которые являются препятствиями на пути движения дислокаций. Рост пластичности объясняется тем, что с уменьшением размеров зерен возрастает доля деформации, осуществляемой межзеренным скольжением. 21. Способы упрочнения сплавов. Диффузионные превращения в сплавах в твёрдом состоянии. Превращения в сплавах в твердом состоянии имеют следующие особенности: они изменяют структуру и, следовательно, свойства сплавов; протекают не во всех сплавах; они начинаются с образования центров кристаллизации новой фазы внутри старой, количество которой увеличивается в процессе нагрева или охлаждения за счет постепенного роста ее зерен или увеличения их количества; эти превращения делятся на диффузионные и бездиффузионные. При диффузионных превращениях атомы перемещаются на значительные расстояния (до нескольких мм), эти превращения протекают медленно. Поэтому степень прохождения этих превращений можно регулировать при превращениях атомы перемещаются на значительные расстояния (до нескольких мм), эти превращения протекают медленно. Поэтому степень прохождения этих превращений можно регулировать при термической обработке, изменяя скорость нагрева или охлаждения, температуру или время выдержки. Примером диффузионного превращения может служить частичный распад твердого раствора, при котором в результате уменьшения растворимости одного из компонентов при понижении температуры из твердого раствора выделяется вторичная фаза (см. рис.5.7). Основной принцип, лежащий в основе повышения прочности металлов и сплавов, – создание препятствий, затрудняющих перемещение дислокаций. Упрочнение достигается путем термической обработки или пластической деформации металлов и сплавов, вызывающих изменение структуры, за счет повышения плотности дислокаций, создания гетерогенных структур с большим количеством дисперсных частиц второй фазы, увеличения протяженности межзеренных границ. Дисперсионное твердение. Этот способ упрочнения сплавов основан на диффузионных превращениях в твердом состоянии. Дисперсионное твердение – это упрочнение сплава за счет выделения из пересыщенного и потому неравновесного твердого раствора большого количества очень мелких (дисперсных) частиц вторичной фазы, которые эффективно препятствуют скольжению дислокаций и, следовательно, повышают прочность сплава. Дисперсионное твердение возможно в сплавах, представляющих собой твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов, в которых с понижением температуры уменьшается растворимость одного из компонентов, что приводит к выделению вторичной фазы (рис.5.7). Рассмотрим процесс упрочнения одного из сплавов, представленных на диаграмме. В равновесном состоянии, до упрочнения, структура сплава состоит из –твердого раствора и небольшого количества крупных кристаллитов вторичной фазы –II (рис.6.3,б). Вторичная фаза в этом сплаве выделяется из –твердого раствора, поскольку с понижением температуры в нем уменьшается растворимость компонента В. При медленном охлаждении зерна вторичной фазы укрупняются и округляются (коагулируют). Сплав с такой структурой имеет невысокую прочность, т.к. небольшое количество частиц вторичной фазы не может эффективно препятствовать перемещению дислокаций. Для упрочнения сплава необходимо увеличить количество частиц II. Суммарная масса II определяется химическим составом сплава  , следовательно, увеличить количество частиц можно только уменьшением их размеров. Это достигается термической обработкой, состоящей из операций закалки и старения. Закалка – это операция термической обработки, которая заключается в нагреве сплава выше критической температуры и охлаждении со скоростью, достаточной для подавления диффузионных превращений. Цель закалки – получение пересыщенного, а потому неравновесного твердого раствора. Применительно к рассматриваемому сплаву температуру закалки выбирают немного выше критической точки – температуры t1. При этом достигается полное растворение компонента В в –твердом растворе, структура становится однофазной, а состав твердого раствора соответствует составу сплава. Для получения пересыщенного твердого раствора охладить сплав до температуры цеха (20°С) необходимо быстро, например, в воде, чтобы подавить диффузионные процессы, т.е. выделение II. Поскольку выделение II подавлено, структура сплава после закалки является однофазной – это –твердый раствор (рис.6.3,в). Полученный твердый раствор является неравновесным, т.к. он пересыщен компонентом В. В равновесном состоянии концентрация компонентов в –твердом растворе характеризуется т.F на оси концентраций, а после закалки – т.K. Неравновесные системы всегда стремятся к равновесному состоянию, поэтому с течением времени из пересыщенного твердого раствора начнется выделение избыточного компонента В в виде очень мелких (дисперсионных) частиц II . Этот процесс называется естественным старением. Он может длиться достаточно долго, поскольку при низких температурах диффузионные процессы протекают медленно. На практике чаще применяют искусственное старение, которое проводят при невысоких температурах (значительно ниже температур закалки). Температуру нагрева и время выдержки при искусственном старении выбирают экспериментально. Структура сплава после старения показана на рис.6.3,г. Сплав, получивший структуру в результате дисперсионного твердения, имеет повышенную прочность, т.к. большое количество частиц второй фазы эффективно задерживает перемещение дислокаций. Пластичность сплава при этом снижается. Дисперсными частицами часто являются химические соединения, имеющие высокую твердость и хрупкость. Поэтому дисперсионное твердение сопровождается также увеличением твердости и хрупкости сплава. 22. Способы упрочнения сплавов. Упругая и пластическая деформация. Наклёп и рекристаллизация. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. После снятия нагрузки упругая деформация исчезает, а пластическая остается. При упругой деформации под действием приложенной нагрузки в кристаллической решетке происходит незначительное смещение атомов, это нарушает баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки вследствие действия сил притяжения и отталкивания атомы возвращаются в первоначальное положение, кристаллиты восстанавливают свою форму и размеры. При возрастании напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой, т.к. при снятии нагрузки устраняется только упругая часть деформации. Оставшаяся часть деформации называется пластической. Наклеп.В процессе пластической деформации повышается плотность дефектов кристаллического строения, зерна вытягиваются в направлении действующих сил, внутри зерен образуются плотные полосы скольжения дислокаций, которые дробят зерна на отдельные блоки (рис.6.4). Изменение структуры сопровождается повышением пределов прочности и текучести, увеличением твердости и снижением пластичности (рис.6.5). Такое влияние пластической деформации на свойства получило название наклепа. При большой степени пластической деформации появляется определенная ориентировка зерен (они вытягиваются в направлении проката), которая называется текстурой деформации. Текстура вызывает анизотропию механических и физических свойств металлов и сплавов. Степень деформации определяется как разница между начальной и конечной площадями заготовки, отнесенная к первоначальной площади, выраженная в процентах. Рекристаллизация. Состояние металлов и сплавов после наклепа является неравновесным. Поэтому при нагреве их структура, а, следовательно, и свойства изменяются, т.к. происходит переход к более стабильному состоянию (рис.6.6). При невысоких температурах нагрева заметных изменений в структуре и в свойствах деформированного металла не наблюдается (область 1 на рис.6.6). Происходит уменьшение плотности дефектов, наступает стадия отдыха металла. При более высоких температурах повышается подвижность атомов и среди деформированных зерен происходит зарождение и рост новых зерен с неискаженной решеткой и меньшей плотностью дефектов (области 2 и 3 на рис.6.6). Этот процесс сопровождается понижением пределов прочности и текучести, уменьшением твердости и повышением пластичности металлов и сплавов. Данное явление получило название рекристаллизация. Дальнейшее повышение температуры приводит к росту образовавшихся зерен (область 4 на рис. 6.6). Наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, определяется по формуле:  , где Трекр. – абсолютная температура рекристаллизации, – коэффициент, зависящий от чистоты металла и типа сплава; Тпл. – абсолютная температура плавления. Для чистых металлов =0,2; для технически чистых металлов и смесей =0,4; для твердых растворов =0,60,8.Холодная и горячая пластическая деформация. Пластическое деформирование ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной пластической деформацией. Холодная пластическая деформация используется для поверхностного упрочнения металлов и сплавов. Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации называется горячей пластической деформацией. Деформация при этих температурах также вызывает упрочнение, однако, оно снимается за счет рекристаллизации. Таким образом, при горячей пластической деформации (прокатке, ковке и т.д.) процессы упрочнения за счет наклепа непрерывно чередуются с процессами разупрочнения за счет рекристаллизации. В конечном итоге упрочнения не происходит. |