Димитровградский институт технологии,

ДИМИТРОВГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ,

УПРАВЛЕНИЯ И ДИЗАЙНА

СТРОЕНИЕ И ПРОЦЕССЫ

В конструкционных МАТЕРИАЛАХ

Учебное пособие по курсу

«Технология конструкционных материалов»

 

 

А.Я. Рогозянов

 

Димитровград

Одобрено редакционно-издательским советом ДИТУД

 

А.Я. Рогозянов

Строение и процессы в конструкционных материалах. Учебное пособие по курсу «Технология конструкционных материалов». Димитровград, 2004, 50 с.

 

 

В настоящем пособии изложены основные понятия о строении конструкционных материалов, особенностях их структурных состояний и процессах, формирующих эти состояния. Кроме традиционных факторов воздействия на материалы, рассмотрено и радиационное облучение. Представленная информация приводится как материаловедческая основа технологии конструкционных материалов.

 

 

ДИМИТРОВГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ,

УПРАВЛЕНИЯ И ДИЗАЙНА, 2004

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Структура чистых материалов

1.1. Электронная структура и периодическая система элементов

1.2. Силы связи и основные типы твёрдых тел

1.3. Кристаллическая структура

1.4. Несовершенства в кристаллах

1.5. Диффузия

 

Строение сплавов

2.1. Фазовые состояния

2.2. Диаграммы состояния

2.3. Условия, влияющие на фазовое равновесие

 

Фазовые превращения

3.1. Затвердевание

3.2. Общая схема превращений в твёрдых фазах

3.3. Примеры превращений в твёрдом состоянии

 

Радиационное воздействие

4.2. Параметры облучения в ядерных реакторах

4.3. Радиационные повреждения конструкционных материалов

4.4. Диффузия и отжиг радиационных точечных дефектов

4.5. Влияние на упрочнение и охрупчивание

4.6. Размерные изменения под облучением без нагружения

4.7. Радиационное энерговыделение

 

Заключение

Список рекомендуемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Понятие «конструкционные материалы» напрямую связано со свойственной всему живому миру и, в особенности, человеку производственной деятельностью, направленной на самосохранение и обеспечение тех или иных потребностей. Конструкция появилась с возникновением самых примитивных живых существ и приобрела такие совершенные формы, которые способны моделировать отдельные функции мозга, использовать новые источники энергии, противостоять разрушительным природным явлениям и обеспечить возможность выхода за пределы земного пространства. Реализация конструкции основана на искусстве, мастерстве, умении получения и применения материалов, что и составляет сущность понятия «технология».

Под технологией конструкционных материалов понимают, прежде всего, совокупность приёмов и способов получения, обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий в той или иной сфере хозяйственной деятельности, а также научную дисциплину, разрабатывающую такие приёмы и способы. В более узком смысле под технологией конструкционных материалов подразумевают (как чисто производственные процессы) сами операции добычи, обработки, переработки, транспортировки, складирования, хранения, контроля, описание этих процессов с составлением инструкций, правил, требований, карт, графиков и т.д.

Технология конструкционных материалов предусматривает качественное изменение материала или изделия по форме, составу, отдельному свойству или их совокупности. Основными показателями её эффективности являются расход сырья, полуфабриката на единицу изделия, выход и качество продукции, производительность и интенсивность процесса, затраты, себестоимость, последствия для экологии.

Задачи технологии конструкционных материалов как науки состоят в выявлении физических, химических, механических и др. закономерностей с целью определения и использования эффективного и экономичного производства. Вначале такие закономерности познавались эмпирически на основе длительного опыта многих поколений, который, в конце концов, приводил к смене веков камня, меди, бронзы и железа. По существу, на этом этапе технологическое развитие обеспечивалось практическим приложением химии. С увеличением суммы знаний и масштабов их применения эволюция по такому сценарию оказалась неприемлемой. Стала развиваться наука о материалах (материаловедение), прежде всего о металлах (металловедение). И в этом случае первые успехи новой науки были связаны с изучением химической природы твёрдых тел, открытием методов очистки, разработки на их основе рентабельных технологических процессов. Постепенно росла роль физики в развитии материаловедения. К концу 19 века был разработан и доведён до совершенства математический аппарат теории упругости, который нашёл широкое применение в современных инженерных дисциплинах. Ещё раньше появилось математическое описание групп симметрии применительно к кристаллам. Оно приобрело особое значение после того, как в начале 20 века с помощью рентгеновских лучей была установлена зависимость внешней симметрии кристаллов от микроскопической симметрии расположения атомов.

Однако наиболее значительные успехи физического материаловедения начались с 30-х годов прошлого века после разработки современной атомной теории – квантовой механики, которая привела к удовлетворительному пониманию строения атома, а потом – и к пониманию природы сил связи между атомами. Была построена теория применительно к чистым идеальным кристаллам, которая объясняла в принципе электропроводность, основные различия между металлами и изоляторами, теплоёмкость и оптические свойства твёрдых тел.

Несколько позднее, в основном, после 1945 г. начинается интенсивное исследование несовершенств кристаллической структуры и их влияния на физические свойства. Стали развиваться представления о диффузии атомов и её влиянии на состояние материала. Существенный скачок произошёл в понимании пластичности и прочности твёрдых тел.

В конце 50-х годов прошлого века возникает и начинает быстро развиваться радиационное материаловедение. Его появление связано со строительством ядерных реакторов и ядерных энергетических установок, в которых ряд ответственных узлов подвергается новому виду воздействия – радиационному облучению потоком нейтронов и гамма - квантов.

Всё это и возрастающие темпы технической эволюции сделали эмпирический путь развития технических отраслей неоптимальным, малоэффективным, чрезмерно затратным. Напротив, для новых научных открытий стало характерным их быстрое внедрение. Разгадка природы электромагнитных волн через 30 лет привела к появлению радио. Создание транзистора уже через несколько лет привели к появлению полупроводников в приборах. В такой ситуации инженер-технолог теряет свою квалификацию через 10-15 лет, если не следит за развитием своей области знаний, за прогрессом материаловедения в целом.

Учитывая это, изложение курса «технология конструкционных материалов» целесообразно начинать с представления в кратком виде основных положений материаловедения на современном этапе развития.

 

Структура чистых материалов

Кристаллическая структура

 

Атомы и их связи обладают определённой симметрией, которая приводит к симметричности структур молекул и кристаллов.

Симметрия тела заключается в способности само совмещаться в различных положениях с помощью отражений, поворотов, инверсий, параллельных переносов и проявляется в повторении частей тела в пространстве. Под кристаллом понимают твёрдое тело, в котором расположение атомов или молекул соответствует повторению определённого “узора” в трёх измерениях. Само расположение атомов определяют как кристаллическую структуру. Внутренняя симметрия в ряде случаев проявляется в симметрии наружной формы. Этот факт, как правило, не очевиден у металлов вследствие их технологической обработки. Однако и они состоят из мелких кристаллитов, обнаруживаемых разными методами.

Симметрия атомов и их связей приводит к оптимальной кристаллической структуре, соответствующей минимуму полной энергии кристалла. Иное, в том числе беспорядочное, расположение атомов увеличивает эту энергию и является неравновесным. Дополнительные факторы воздействия (температура, напряжение, примесные атомы и т.д.) искажают идеальную кристаллическую структуру.

В повторяющемся “узоре” расположения атомов можно выделить определённую элементарную ячейку, из которой можно построить весь кристалл путём бесконечного числа перемещений. При этом не всегда примитивную ячейку выбирают из условия минимального количества приходящихся на неё атомов z. Таким условием пренебрегают, чтобы оперировать наиболее простыми фигурами. Классификация примитивных ячеек приведена в табл. 3, в которой представлены 14 так называемых решёток Бравэ.

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решётка при трансляции образует плотноупакованную структуру. Другая плотноупакованная гексагональная (ГПУ) структура получается при несколько ином расположении соседних плотноупакованных слоёв. Её образование происходит путём более сложного, чем простая трансляция, перемещения гексагональной решётки .

Из кубических решёток широко распространена объёмно-центрированная (ОЦК). Её трансляция приводит к образованию несколько более рыхлой структуры. Различие энергии между перечисленными структурами мало и это приводит к наличию не одной аллотропической формы у многих металлов.

Структуры ГЦК, ГПУ и ОЦК наиболее характерны для элементов подгруппы А. Щелочные металлы (IА, IIА) имеют чаще всего ОЦК решётку. Плотноупакованные структуры появляются у переходных металлов. Ещё более плотные решётки, чем двухслойная ПГ и трёхслойная ГЦК, наблюдаются у лантаноидов.

 

Таблица 3

Несовершенства в кристаллах

Представления об идеальных кристаллах, изложенные ранее, позволяют объяснить такие свойства, как плотность, диэлектрическую проницаемость, удельную теплоёмкость, упругость. Все они относятся к структурно-нечувствительным. Структурно-чувствительные свойства (к примеру, прочность, электропроводность, теплопроводность) в значительно большей степени зависят от различных несовершенств (дефектов), присущих реальным кристаллам. К таким дефектам относятся тепловые колебания, точечные (вакансии, атомы внедрения, изолированные включения примеси), линейные (дислокации), поверхностные (наружная поверхность, внутренняя поверхность: границы зёрен, субзёрен и т.д.) и объёмные дефекты.

Тепловые колебания. Наименее серьёзные нарушения идеальной структуры кристалла вызывают тепловые колебания атомов относительно равновесного положения. Подогрев вызывает увеличение внутренней энергии Е кристалла и это увеличение характеризует теплоёмкость при постоянном объёме, С_v = . Теплоёмкость газов равна 3 кал/моль×К. Теплоёмкость твёрдых тел с ростом температуры увеличивается сначала быстро (пропорционально Т³), а потом асимптотически от 0 до 6-8 кал/моль×К. При так называемой температуре Дебая она составляет около 96 % от максимальной величины. Такую зависимость С_v(Т) удалось объяснить, перейдя от модели классического осциллятора к модели квантового осциллятора с дискретными энергиями колебаний, разделёнными промежутками, к примеру, равными для меди около 0,05 эВ. В то же время тепловая энергия, приходящаяся на одну степень свободы осциллятора, по порядку величины близка к kT (k – постоянная Больцмана) и при комнатной температуре составляет около 0,025 эВ. Это означает, что при низких температурах не все осцилляторы переходят на более высокие уровни энергии.

Атомы в узлах решётки являют собой систему взаимосвязанных осцилляторов. Этот факт является причиной флуктуирования их энергии. Считая флуктуации хаотичными, вероятность появления их с энергией Е определяют с помощью уравнения Больцмана:

 

, (3)

 

причём А (Т) подбирают так, чтобы полная вероятность пребывания в одном состоянии была равна 1. При Е = kT вероятность равна 0,37, при Е = 3kT – 0,05. Поскольку вероятность флуктуации заданной величины DТ с ростом Т увеличивается, многие процессы ускоряются с увеличением температуры.

Вакансии и атомы внедрения. Дефекты такого рода называют точечными, поскольку они имеют атомные размеры.

Вакансия представляет собой незанятый узел решётки. В реальном кристалле они образуются и исчезают под действием тепловых флуктуаций. Энергия Е_v их образования равна разнице между энергиями связи атома внутри и на поверхности кристалла и составляет для многих металлов величину, близкую к 1 эВ. Поскольку средняя колебательная энергия значительно меньше, ясна роль тепловых флуктуаций в образовании вакансий. В кристалле с N атомных узлов количество вакансий n_v равно:

 

. (4)

Атомы внедрения – это избыточные атомы, не занимающие узлов решётки. Внедрения из собственных атомов могут появляться при их проникновении с поверхности вглубь кристалла, где велики силы отталкивания. Оценочные значения энергии Е_i образования внедрения для ГЦК и ГПУ кристаллов равны от 3 до 5 эВ. Равновесное их число n_i равно:

 

, (5)

 

где а – небольшое целое число. Поскольку Е_i > Е_v, появление внедрений значительно менее вероятный процесс, чем появление вакансий.

Внедрения могут образовываться при смещении атома из узла решётки. При этом появляется так называемая пара Френкеля v-i, энергия образования которой примерно равна сумме Е_i и Е_v.

В решётке может появляться примесь. Это может быть связано с проникновением через поверхность небольших атомов водорода, углерода, кислорода, азота. К примеру, в соответствующих условиях цирконий может поглощать так много водорода, что он займёт почти все междоузлия решётки.

Линейные дефекты. У дефектов такого рода (дислокаций) поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. Представления о дислокациях были развиты для объяснения пластического деформирования, ползучести и разрушения материалов. Возможны два предельных вида дислокаций – краевые и винтовые. Любая иная дислокация представляет собой сочетание предельных.

Краевую дислокацию можно представить как результат введения в часть кристалла лишней плоскости (рис. 2). Искажение решётки сосредоточено вблизи края “полуплоскости” лишних атомов. Образуется линия искажения вдоль этого края, под которой и понимают дислокацию. Область вблизи от этой линии называется ядром дислокации. Здесь велики локальные деформации. В стороне от ядра деформации не превышают нескольких процентов и описываются в рамках теории упругости (упругая область). Атомы над краем “полуплоскости” находятся под действием сжимающих сил, ниже этого края - под действием растягивающих сил. Соответственно различают отрицательную (сужение) и положительную (расширение) дилатацию.

 

 

Рис. 2. Схематическое изображение краевой дислокации

 

Винтовую дислокацию обычно изображают как результат тонкого разреза кристалла на некоторую глубину, сдвига материала по одну сторону разреза на одно межатомное расстояние с последующим смыканием рядов атомов по обе стороны разреза (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Схематическое изображение винтовой дислокации

 

В данной случае нет уже полностью застроенных плоскостей, перпендикулярных к дислокации. Вокруг дислокационной линии атомы расположены на винтовой поверхности, начинающейся у одного края и заканчивающейся у другого края кристалла. Дислокация может быть право- или левовинтовая с шагом в одно или несколько межатомных расстояний. Вносимые геометрические искажения представляют собой не дилатацию, а скручивание или сдвиг решётки.

Другие типы дислокаций можно установить по разрыву ранее замкнутого контура в кристалле. Замыкающий разрыв вектор Бюргерса у краевой дислокации перпендикулярен, у винтовой – параллелен линии дислокации, у промежуточных (смешанных) типов может иметь произвольное направление. В любом случае линия дислокации или выходит на поверхность, или замыкается внутри кристалла, образуя дислокационную петлю.

Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. При пластическом деформировании они способны размножаться по так называемому механизму Франка-Рида, когда защемлённый по концам отрезок дислокации под действием напряжения многократно изгибается с испусканием новых дислокаций. Дефект такого рода атермичен в силу того, что энергия дислокации, приходящаяся на одно межатомное расстояние, находится в пределах 3-10 эВ. Флуктуации энергии атома не способны повлиять на плотность дислокаций в кристалле.

Поверхностные и объёмные дефекты. К поверхностным (двумерным) дефектам относят внешнюю поверхность, дефекты упаковки (нарушение чередования атомных слоёв), границы зёрен и субзёрен, двойниковые границы.

Двойники образуются путём симметричной переориентации областей решётки так, что решётка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отражением остальной части кристалла. Они появляются при затруднённом скольжении дислокаций, определяя деформацию материала.

Границы субзёрен отличаются от границ зёрен малым углом разориентации областей кристалла. Иногда их представляют в виде ряда параллельных краевых дислокаций. Наличие границ зёрен отражает факт энергетической обусловленности поликристаллического состояния металлов в условиях традиционной технологии их получения.

К объёмным (трёхмерным) дефектам относят микроскопические трещины, поры и т.д.

 

Диффузия

До сих пор предполагалось, что атомы привязаны к своим узлам решётки. В действительности атомы обладают в определённых условиях свободой перемещения, называемого диффузией.

Кристаллографические и геометрические особенности диффузии можно продемонстрировать на примере миграции вакансии, внедрения, простого и кольцевого обмена местами атомов (рис. 4). Разновидностью механизма (б) является миграция примеси.

Вероятность каждого из указанных элементарных актов диффузии зависит от температуры по экспоненциальному закону с разной энергией активации. Их таких актов складывается перемещение атомов на большие расстояния, приводя к переносу массы вещества. Для статистических расчётов массопереноса важно допущение о беспорядочном характере элементарных актов по длине и направлению.

 

 

 

а б в г

 

 

Рис. 4. Механизмы диффузии в кристаллах.

а –миграция вакансии, б – миграция внедрения, в – обмен местами двух атомов, г – кольцевой обмен четырёх атомов

 

Наиболее просто описать частоту скачков атомов внедрения, уже находящихся в решётке. Такие атомы находятся в междоузлиях в так называемой потенциальной яме глубиной Е_m, называемой энергией миграции. Это их равновесное состояние. В то же время они колеблются с частотой n. Благодаря флуктуации энергия примесного атома может достигнуть Е_m, и тогда он преодолеет потенциальный барьер, перейдя в новое равновесное состояние. Частота таких событий

 

, (6)

 

где n имеет порядок 10¹³ гц, Z равно 4 для ОЦК структур, 12 для ГЦК. Энергия Е_m, как правило, близка к 1 эВ. К примеру, атом углерода в железе при 20^оС совершает одно перемещение за 20 с, а при плавлении железа (1545^оС) - 2×10¹¹ перемещений в секунду. Однако, если внедрением является атом основного элемента, Е_m значительно меньше (0,05-0,5 эВ).

Выражение для частоты перемещения атома по вакансионному механизму усложнится тем, что необходимо учесть и вероятность образования вакансии:

 

, (7)

 

Энергии Е_m и Е_v в этом случае для ряда металлов (медь, серебро, железо) равны примерно 1 эВ.

Перемещение атомов на большие расстояния определяется из статистики сложения последовательных элементарных прыжков. Расчёты облегчаются тем, что длина всех прыжков одинакова и равна межатомному расстоянию d, а решётка имеет высокую степень симметрии. Результатом расчёта должно быть усреднённое смещение отдельных атомов. В качестве такового берут не простое среднее (оно при большом числе актов будет равно 0), а среднеквадратичное , которое служит мерой пройденного атомом расстояния. Оказывается для трёхмерных кристаллов , где t – время наблюдения. Если пользоваться понятием коэффициента диффузии D, можно записать:

 

D= fd²/6 =D_oe^-Q/kT. (8)

 

Величину D_o называют частотным фактором, а Q – энергией активации диффузии. Из выше изложенного следует, что Q складывается из энергий образования и миграции вакансии или внедрения.

Диффузию атома в своей собственной решётке называют самодиффузией. Её характеристики для некоторых элементов приведены в табл. 4.

При описании макроскопической диффузии большого количества атомов рассматривают скорость dN/dt их прохождения через определённую плоскость решётки площадью L² при наличии градиента концентрации dC/dx. Показано, что в трёхмерном пространстве

 

. (9)

 

Выражение (9) широко известно как закон Фика. С его помощью удалось подтвердить, что основным механизмом самодиффузии и диффузии атома в решётке близких по размеру атомов является вакансионный.

Таблица 4

Строение сплавов

Фазовые состояния сплавов.

 

Сплавы из разных элементов находят значительно более широкое применение по сравнению с чистыми материалами. Они позволяют значительно расширить диапазоны изменения практически важных свойств и условий эксплуатации. Соответственно, стали разнообразнее и технологические приёмы получения и обработки конструкционных материалов. Их развитие было обеспечено прогрессом знаний о фазовой структуре сплавов, её равновесном состоянии и превращениях при воздействии того или иного фактора.

Сплавы могут представлять механическую смесь, промежуточную фазу (химическое соединение), твёрдый раствор на основе одного из компонентов или химического соединения. При этом фазой называют часть системы, обладающей специфическим расположением атомов, ограниченной поверхностью и существующей в определённой области факторов воздействия.

Механическая смесь элементов образуется, если они не способны к взаимному растворению и образованию химических соединений. Сплав состоит из их хаотично расположенных кристаллитов.

Химические соединения металла с неметаллом, когда имеет место ионная связь, отличает определённый стехиометрический состав (например, А_xВ_y), специфическая решётка с упорядоченным расположением элементов разного типа и отсутствие металлических свойств. Соединения из одних металлических элементов связаны недостаточно жёсткой металлической связью, не подчиняются закону валентности и допускают некоторое отклонение от стехиометрии.

В жидком состоянии большинство металлических сплавов являются однородными жидкими растворами. При охлаждении зачастую однородность сохраняется, образуется твёрдый однофазный раствор с характерной решёткой в определённом интервале концентраций. Растворяемые атомы могут замещать узлы решётки или междоузлия с образованием растворов замещения или внедрения. Растворителем считают тот элемент, чья решётка сохраняется. Растворяемый элемент в растворах замещения может быть больше или меньше растворителя. Параметр решётки соответственно увеличивается или уменьшается, что упрочняет сплав. Образование твёрдого раствора внедрения всегда увеличивает параметр решётки.

Небольшое различие размеров растворяемых атомов и атомов растворителя и одинаковая решётка у обоих являются непременным условием образования раствора неограниченной растворимости. При несоблюдении этих условий растворимость ограничена.

Твёрдый раствор могут образовывать и химические соединения. В этом случае сохраняется решётка соединения А_xВ_y, но, к примеру, часть атомов А или С растворяется в соединении, заменяя собой атомы В. Формула соединения нарушается. Возможен и частичный уход одного из элементов с образованием так называемого раствора вычитания.

Фазовое состояние определяется не только изменением состава сплава, но упорядочением атомов. Упорядоченные растворы характеризуются одинаковым окружением атомов с образованием ближнего или ближнего и дальнего порядка одновременно.

 

Диаграммы состояния.

 

Диаграммы состояния представляют собой, как правило, графическое изображение равновесных фазовых состояний при различных температурах, концентрациях элементов и давлении. Диаграммы для бинарного сплава в общем случае являются поверхностью в трёхмерном пространстве или плоскими фигурами при постоянном давлении или температуре.

Основой построения диаграмм являются рассмотрение свободной энергии разных фаз и экспериментальные данные по их структурным характеристикам. Каждый из этих подходов взаимно дополняет друг друга.

В термодинамике рассматривают фазовые переходы первого и второго рода. Первые отличает скачкообразное изменение теплоты перехода, внутренней энергии, объёма, выражаемых через первую производную термодинамического потенциала от температуры и давления. Вторые сопровождаются скачком характеристик, пропорциональных второй производной термодинамического потенциала от температуры и давления (теплоёмкость, коэффициент теплового расширения и т.д.). К первым относят изменения агрегатного состояния, аллотропические превращения, ко вторым – некоторые переходы от беспорядочного к упорядоченному состоянию, в состояние сверхпроводимости и сверхтекучести, магнитные превращения.

На рис. 5 представлен вид диаграмм состояния бинарного сплава АВ, отражающих переходы первого рода.

Наиболее проста диаграмма в случае неограниченного твёрдого раствора. На ней области жидкого L и твёрдого раствора разделены двумя непересекающимися линиями, сходящихся на концах при температуре плавления того и другого элемента (рис. 5а). Верхнюю линию называют линией ликвидуса, нижняя – линией солидуса. По ним определяют количество и состав жидкой и твёрдой фаз по правилу рычага.

Если элементы неограниченно растворяются в жидком состоянии и совершенно не растворяются в твёрдом, две линии ликвидуса и

 

Рис. 5. Примеры диаграмм состояний бинарного сплава

горизонтальная линия солидуса пересекаются в точке, называемой эвтектической (рис. 5б).

При ограниченной взаимной растворимости элементов на диаграмме имеются шесть областей: L, b- и a- твёрдых растворов, L+b, L+a, a+b (рис. 5в). Столько же областей будет и при значительном различии температур плавления элементов А и В, но в этом случае говорят не об эвтектической, а перитектической точке (рис. 5г). Диаграмма усложняется, если элементы испытывают полиморфные превращения (рис. 5д).

При наличии химического соединения у элементов, совершенно нерастворимых в твёрдом состоянии, диаграмма приобретает вид, показанный на рис. 5е. Она ещё более сложна при наличии ограниченных твёрдых растворов.

Если сплав включает три элемента, то его диаграмму для заданных величин температуры и давления представляют в виде равностороннего треугольника с отражением содержания элементов по сторонам. Чтобы изучить влияние, к примеру, температуры, нужно построить диаграммы для нескольких её значений.

При фазовых переходах второго рода у приведённых выше диаграмм появляются куполообразные области, внутри которых сплав отличается упорядоченным расположением атомов, проявлением ферромагнетизма, сверхпроводимости и т.д.

 

 

Фазовые превращения

Затвердевание

Фазовый переход такого рода определяется отводом тепла из расплава. В результате образуется вещество с кристаллической или аморфной структурой.

В первом случае переход начинается с образования зародышей твёрдой фазы. Вторая стадия состоит в их росте.

Различают гомогенный и гетерогенный способ образования зародышей. Однако гомогенный способ реализуется весьма редко – при затвердевании воды и капелек ртути. Из формальной теории гетерогенного зародышеобразования следует, что его скорость максимальна при критическом переохлаждении, близком для металлов с ГЦК и ОЦК решётками к 0,18 Т_м (Т_м – температура плавления в К).

Экспериментально установлено влияние механических воздействий (колебания жидкости, наличие её потока), электрических и магнитных полей на рассматриваемый процесс.

Между жидкой фазой и зародышем твёрдой фазы иной плотности существует переходная область, называемая диффузной границей. Её продвижение может происходить за счёт бокового движения ступенек, источником которых являются винтовые дислокации. Если термодинамика обуславливает большие движущие силы, продвигается вся граница.

Максимальная скорость роста зародышей тоже наблюдается при критическом переохлаждении, но оно соответствует более высокой температуре, чем при процессе их зарождения (рис. 7). Различие температурных зависимостей развития обоих стадий кристаллизации приводит к тому, что с ростом степени переохлаждения величина зерна уменьшается. Снижение скоростей образования и роста зародышей при глубоком переохлаждении связано с ограничением подвижности атомов.

Степень кристаллизации при заданной температуре со временем увеличивается вначале с увеличивающейся скоростью за счёт роста числа зародышей, а впоследствии всё медленнее из-за соприкосновения кристаллитов.

Движущей силой рассматриваемого фазового перехода, как и других фазовых превращений, является стремление к минимуму свободной энергии вещества (энергии Гиббса). Однако при этом требуются затраты энергии на образование поверхностей раздела. Эти затраты должны быть меньше выигрыша, получаемого при возникновении новой фазы.

 

 

 

 

 

Переохлаждение, ^оС

 

Рис. 7. Зависимости скорости образования зародышей (1) и скорости их роста (2) от степени переохлаждения

 

С этих позиций зародыши малого объёма неустойчивы. Чтобы сохраниться и расти дальше, их изначальный размер должен быть равен или больше критического. С понижением температуры уменьшается критический размер, увеличивается число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени (восходящая ветвь кривой (1) на рис. 7) и ускоряется процесс кристаллизации в целом.

На форму кристаллических образований также влияет скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц (центров кристаллизации), конвекционных токов жидкости и т.д. Наблюдается образование характерных для литого металла древовидных кристаллов (дендритов) со стволом, от которого идут ветви. Наложение ряда факторов приводит к характерному распределению зёрен в стальной отливке. В наружной зоне образуется мелкозернистая корка. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов, прорастающих вглубь слитка. В третьей, серединной зоне вырастают равноосные кристаллы. Из-за большей плотности твёрдой фазы наблюдаются усадочные раковины, сконцентрированные (спокойная сталь) и разбросанные по объёму слитка (кипящая сталь). Эти особенности структуры видоизменяются последующей обработкой давлением.

Существуют различные специальные режимы кристаллизации материала, связанные с решением той или иной задачи. Чаще всего задача состоит в обеспечении определённого распределения примеси в слитке. Для этого его расплавляют и постепенно охлаждают, начиная с одного конца (нормальная кристаллизация). При этом возможно перемешивание жидкости. Другой способ состоит в расплавлении одного участка (зонная плавка) и продвижении его по всему слитку. Данные способы используют и для выращивания монокристаллов. Если их усложнить присутствием и паровой фазы, можно выращивать монокристаллы разных экзотических форм.

Переход из жидкого в твёрдое аморфное состояние равносилен образованию переохлаждённой загустевшей жидкости. В этом случае отсутствуют определённые температура плавления и кристаллическая структура.

 

Примеры превращений в твёрдом состоянии

Полиморфные превращения. Полиморфные твёрдофазные превращения относятся к превращениям без изменения состава и обнаруживаются в 20 металлах и в большом числе химических соединений. При температурах, близких к равновесным, они протекают по механизму образования и роста зародышей, при большом переохлаждении (закалке) – по мартенситному механизму, который будет рассмотрен позднее.

В первом случае скорости полиморфных превращений значительно меньше скоростей кристаллизации, но больше скоростей превращений в твёрдых фазах с изменением состава. Скорость превращений можно изменять в широких пределах, переохлаждая или перегревая материал.

Полиморфные превращения сопровождаются изменением объёма и в сплавах могут протекать более сложным путём по сравнению с чистыми металлами. Чистое железо при охлаждении переходит из g-состояния в a-состояние. Равновесная температура перехода составляет 910 ^оС.

Таблица 5

Радиационное воздействие

Таблица 10

Заключение

 

Представленные выше сведения из области материаловедения, включая и радиационное материаловедение, нельзя рассматривать как достаточно полный материал для познания основ этой дисциплины. Каждому её разделу посвящены десятки и сотни фундаментальных работ и огромное множество публикаций в периодической печати. Представления о каждом её аспекте постоянно уточняются и приобретают форму всё более адекватных моделей явлений и процессов, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов.

Данная работа знакомит и поясняет читателю смысл основной терминологии в материаловедении, отмечает наиболее значимые явления и процессы, которые важны с точки зрения технологии конструкционных материалов на стадиях их выплавки, последующей термической, механической, радиационной или комбинированной обработки. Кроме того, она предоставляет ряд фактических данных, которые будут полезны для оценки влияния того или иного фактора воздействия на структурное состояние материалов, для стимулирования интереса у читателя к более глубокому изучению.