Ответы на вопросы экзаменационного реферата по материаловедению. Вариант3. Вариант 3 Выберите и обоснуйте условия образования твердых растворов с неограниченной растворимостью. Приведите примеры реальных систем с неограниченной растворимостью компонентов и объясните характер изменения свойств сплавов данных систем в зависимости от состава.
 Скачать 314.63 Kb.
|
|
Вариант 3 Выберите и обоснуйте условия образования твердых растворов с неограниченной растворимостью. Приведите примеры реальных систем с неограниченной растворимостью компонентов и объясните характер изменения свойств сплавов данных систем в зависимости от состава. Ответ: В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов кристаллическая решетка одного компонента (растворителя) плавно переходит в кристаллическую решетку второго (растворенного) компонента. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при выполнении следующих условий: кристаллические решетки компонентов должны быть изоморфны (однотипны); атомные радиусы компонентов должны быть близки (не отличаться более чем на 8-13%); физико-химические свойства компонентов должны быть близки, то есть компоненты должны иметь схожее строение валентных оболочек атомов. Первое условие (изоморфность кристаллических решеток компонентов) означает, что кристаллические решетки компонентов должны быть подобны. Если это условие не будет выполнено, по достижении определенной (предельной) концентрации растворенного компонента произойдет выделение второй фазы (например, твердого раствора на основе второго компонента с другим типом кристаллической решеткой), и неограниченная растворимость не будет достигнута. Второе условие (близость размеров атомов компонентов) означает, что атомные радиусы компонентов не должны различаться слишком сильно, иначе параметры кристаллических решеток компонентов будут значительно отличаться друг от друга, и при увеличении концентрации растворенного компонента искажения решетки твердого раствора достигнут критических величин, в результате произойдет выделение второй фазы. Согласно третьему условию, компоненты должны иметь схожее строение валентных оболочек атомов. Слишком разное строение валентных (а следовательно, большие различия в физико-химических свойствах компонентов) приведет к невозможности непрерывного плавного перехода от кристаллической решетки одного компонента к кристаллической решетке второго компонента. Схема системы с неограниченной растворимостью компонентов А и В приведена на Рисунке 1. При определенном соотношении концентраций компонентов А и В выше линии ликвидуса существует расплав, между линиями ликвидус и солидус существует смесь твердой фазы и жидкости, ниже линии солидус сплав существует в виде однофазного твердого раствора. Как правило, свойства систем с неограниченной растворимостью компонентов изменяются по криволинейной зависимости, некоторые из них могут значительно отличаться от свойств компонентов. При предельных концентрациях, соответствующих краям фазовой диаграммы 100% компонента А и 100% компонента В, свойства материала, естественно, соответствуют свойствам чистых компонентов.  Рисунок 1. Фазовая диаграмма системы с неограниченной растворимостью компонентов (схема). Примеры реальных систем с неограниченной растворимостью компонентов: Система серебро-золото. Фазовая диаграмма данной системы приведена на Рисунке 2.  Рисунок 2. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью Au-Ag. Сплавы данной системы носят название электрум, их используют в ювелирном деле. С ростом количества серебра их цвет меняется от золотисто-желтого до серебряно-белого. Твердость сплавов даннной системы по Моосу равна 2-3, что соответствует твердости компонентов (золота и серебра). Электропроводность и теплопроводность сплавов системы Au-Ag значительно ниже, чем эти же характеристики чистых компонентов (их зависимости от концентрации компонентов имеют форму перевернутого колокола с минимумом в области равных концентраций), что объясняется искажениями кристаллической решетки твердого раствора. Система медь-никель. Диаграмма состояния данной системы приведена на Рисунке 3.  Рисунок 3. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью Cu-Ni. Медно-никелевые сплавы на медной основе с никелем в качестве основного легирующего элемента (и часто с добавлением других элементов) обладают повышенной коррозионной стойкостью. Легирование приводит к увеличению электросопротивления и прочности. Их используют в качестве электротехнических и конструкционных материалов. Система титан-цирконий. Диаграмма состояния данной системы приведена на Рисунке 4.  Рисунок 4. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью Ti-Zr. Титан и цирконий относятся к одной группе периодической таблицы Менделеева, их физико-химические свойства очень близки. Эти металлы обладают полиморфизмом: при высоких температурах они имеют объемноцентрированную кубическую решетку (-фаза), а при понижении температуры испытывают полиморфное превращение из в -фазу (низкотемпературную фазу, имеющую гексагональную плотноупакованную решетку). Как видно по диаграмме состояния, полиморфное превращение наблюдается и в сплавах системы с неограниченной растворимостью Ti-Zr. Сплавы этой системы имеют более высокую прочность, а также более низкие теплопроводность и электропроводность по сравнению с чистыми компонентами, что объясняется искажениями кристаллической решетки в твердом растворе. Объясните сущность явления сегрегаций примесных атомов в зоне дислокаций (коттрелловский эффект). Как в этой связи можно объяснить наличие зуба текучести на кривых деформации пластичных материалов? Ответ: Примесные атомы создают вокруг себя упругие поля напряжений. Вокруг дислокаций в кристаллической решетке также существуют упругие поля напряжений. В результате взаимодействия упругих полей примесных атомов и дислокаций примесные атомы собираются вокруг дислокаций (что понижает упругую энергию кристалла), и в результате в окрестности дислокаций образуются области повышенной концентрации примесных атомов (в основном внедрения) – так называемые атмосферы Коттрелла. Эти атмосферы тормозят движение дислокаций. При определенных температурах примесные атомы способны двигаться вслед за скользящими дислокациями, в результате чего наблюдаются такие явления, как прерывистая текучесть и деформационное старение. Образованием атмосфер Коттрелла можно объяснить и зуб текучести на кривых деформации пластичных материалов. В этом случае для отрыва дислокаций от атмосфер примесных атомов необходимо определенное напряжение (верхнее напряжение зуба текучести). После того, как большинство дислокаций оторвутся от тормозящих их атмосфер примесных атомов, для их движения требуется меньшее напряжение, и напряжение текучести падает до нижнего значения. Если после этого снять нагрузку и тут же вновь приложить ее, зуб текучести отсутствует, и материал продолжает пластически деформироваться при нижнем напряжении зуба текучести. Однако если оставить образец на некоторое время, а затем деформировать его, зуб текучести опять появится ввиду того, что примесные атомы вновь диффундируют к дислокациям и образуют вокруг них атмосферы Коттрелла. |