Кристаллография, кристаллизация, деформация и диаграммы состояния сплавов

ЛЕКЦИИ

По курсу

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Конструкционные материалы

Классификация по назначению

1) общего назначения;

2) пружинные;

3) износостойкие;

4) с особыми технологическими свойствами;

5) легкие;

6) с высокой удельной прочностью;

7) устойчивые к температуре среды.

Свойства

1) механические (плотность, твердость);

2) технические (свариваемость, штампуемость);

3) эксплуатационные (устойчивость против коррозии);

4) физические (магнитные, объемные, электрические).

Строение (структура)

Влияние на строение:

1) изменение химического состава (чистые металлы или сплавы);

2) способ получения (отливка, поковка, выточка из прутка, порошковая технология);

3) способы обработки (пластическая деформация, термическая обработка, химикотермическая обработка).

 

ЧАСТЬ 1

Кристаллография, кристаллизация, деформация и диаграммы состояния сплавов

Глава 1. Строение кристаллов

 

Кристаллы состоят из:

● молекул (H₂O, CO₂, …);

● ионов (NaCl, …);

● отдельных атомов (все Ме, нМе (Si, Gr, C, Ar)).

 

Виды взаимодействия частиц в кристаллах

 

1. Молекулярное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса. Атомы инертных веществ)

 

● в основе такого взаимодействия лежит явление поляризации (образование диполей), следовательно, электростатического притяжения;

● каждая частица окружает себя соседями, значит, укладка плотная;

● все соседи равноценны, т.е. связь ненаправленная;

● энергия связи мала (Е_св ~ 0,1 кДж/моль);

● диэлектрики с низкой t_пл.

 

2. Обменное взаимодействие (ковалентное)

Атомы IV и V групп: Si, Ge, C (4-валентные), Sb, Bi (5-валентные).

 

● в основе такого метода лежит обмен валентными электронами;

● число соседей точно известное и небольшое (3 или 4);

● соседи не равноценны, значит, связи направленные, Е_св ~ 10² кДж/моль;

● очень твердые и очень хрупкие кристаллы;

● полупроводники и диэлектрики.

 

3. Ионное взаимодействие

Ме + нМе

Na – 1ē —> Na⁺

Cl + 1ē —> Cl^-

● в основе взаимодействия лежит переход валентных электронов;

● число соседей большое;

● укладка плотная;

● связи ненаправленные, очень сильные, Е_св ~ 10² кДж/моль;

● твердые кристаллы с высокой t_пл;

● диэлектрики, полупроводники.

 

4. Металлическое взаимодействие

Все Ме.

● в основе лежит коллектив электронов, это облако электронов связывает все свободные элементы;

● укладка наиплотнейшая;

●связи ненаправленные, Е_св ~ 10 кДж/моль;

●все Ме пластичные, прочные, электропроводны.

 

Выводы:

1. Различные виды взаимодействия имеют одинаковую электростатическую природу.

2. При электростатическом взаимодействии преобладают либо силы притяжения, либо силы отталкивания в зависимости от расстояния между частицами.

 

 

Особенности расположения частиц в кристаллах

 

1. При электростатическом взаимодействии наиболее устойчивое положение занимает частица на определенном расстоянии а (когда F_пр = F_от), следовательно, расположение частиц в кристаллах должно быть регулярным.

2. При регулярном расположении части энергия межатомного взаимодействия будет минимальной. Кристаллы будут находиться в равновесии.

3. При любом смещении частицы от положения равновесия на ∆а на нее начинает действовать F_{результир.}, значит, потенциальная энергия увеличивается на ∆W.

∆W = ∆а ● F_{результир.}

Кристалл будет находиться не в равновесии. У смещенных частиц будет более сильная межатомная связь, их труднее разорвать.

4. Регулярно расположенные частицы в пространстве образуют правильную кристаллическую решетку, но способ укладки у каждого вещества строго индивидуальный, значит, индивидуальны свойства.

 

 

Глава 2. Особенности строения реальных кристаллов

 

В реальных кристаллах расположенные частицы не являются строго регулярными, т.к. в решетке есть дефекты и атомы разных компонентов.

 

Строение сплавов

 

Сплавы – все, что состоит из сплавов кристаллов.

Фаза – обособленная часть сплава, имеющая собственное строение, состав, свойства.

Фазы бывают двух видов – твердые растворы и промежуточные фазы.

 

 

1. Твердые растворы

 

Это фазы, при образовании которых атомы В расположен в решетке атомов А – решетке растворителя. Всегда переменный состав.

 

Твердые растворы бывают:

 

1) растворами замещения, атомы В стоят в узлах вместо атомов А.

Условие для твердых растворов замещения: если < 7-8% и решетки одинаковы, то растворимость неограниченна, если = 8-15%, то она ограничена, если > 15%, то вещества нерастворимы.

2) растворами внедрения, когда атомы В стоят между узлами или в порах атомов А.

Условие для твердых растворов внедрения: R_B ≤ 0,59R_A. Например,

R_{поры ГЦК} ≤ 0,41R_A, R_{поры ОЦК} ≤ 0,29R_A.

 

Вывод: вблизи любого растворенного атома решетка искажена, поэтому они вносят дополнительное упрочнение.

 

, где

σ₀ – упрочнение растворителя;

- дополнительное упрочнение;

х – процент атомов В.

 

Аксиома: любой твердый раствор всегда прочнее растворителя. Также прочны твердые растворы внедрения.

 

2. Промежуточные фазы

 

Имеют собственную кристаллическую решетку, отличную от решеток А и В, обозначаются А_nВ_n (фаза постоянного состава), ω (фаза переменного состава).

Есть два класса:

1. Ме-Ме.

Пример:

● Электронные фазы l/n (3/2, 21/13, 7/4), где l – число валентных электронов, n – число атомов, например, CuZn, Cu₅Zn₈, CuZn₃;

● Фазы Лавеса А₂В, если R_B>>R_A (20%), например, Fe₂Mo.

 

2. Ме-нМе.

Пример:

FeO, FeS;

Cr₂₃C₆, TiC, W₂C – карбиды;

Fe₂N, Fe₄N – нитриды;

Супертвердые вещества.

 

Вывод: если промежуточная фаза образуется, то связи А с В сильнее, чем А-А и В-В, значит, связи будут более прочные, как правило прочнее, чем А-А и В-В.

 

Реальные кристаллы всегда имеют искаженную решетку. Чем выше суммарное искажение, тем кристаллы будут прочнее. Но одновременно будет ниже пластичность, электропроводность, хуже электропроницаемость, магнитные свойства, коррозионная стойкость.

 

Структура:

1. Макроструктура (визуально) – изломы, трещины.

2. Микроструктура (оптический микроскоп, увеличение до 2000 раз, видны частицы фаз).

3. Тонкая структура (электронный микроскоп, увеличение до 1000000 раз, видны дефекты).

 

ЧАСТЬ 2

 

Структурный анализ ДС

 

1. Превращения при кристаллизации

Сплавы с содержанием (0 – 2.14)% С

Превращение перитектическое, С = К+1-Ф = 0

Для того, чтобы из 2-х фаз получилась одна необходимо, чтобы было равное соотношение фаз

Если пропорция нарушена, то одна из фаз в избытке.

 

 

 

После затвердевания кристаллизуются все сплавы с содержанием С до 2.14%, состоят они из 1 фазы аустенита.

Ледебуриты:

Крайне хрупкая структура, состав сплавов:

 

Сплавы с содержанием (2.14 - 6.69)% С

Все сплавы после завершения кристаллизации состоят из 2-х фаз А+Ц и все в структуре содержать эвтектику ледебурит.

!!! Наличие или отсутствие хрупкой эвтектики изменяет свойства сплавов и служит признаком для классификации этих сплавов на стали и чугуны.

Стали содержат С < 2.14%, не содержат эвтектику, чугуны содержат С 2.14 – 6.69%, содержат эвтектику.

 

1. Превращения в твердом состоянии

● SE – линия переменной растворимости углерода в аустените. Уменьшается от 2.14 до 0.8 при понижении температуры.

Из аустенита должен выделяться Ц_II;

 

● DQ – линия переменной растворимости углерода в феррите. При понижении температуры уменьшается от 0.02 до 0.006. Из феррита должен выделиться Ц_III;

 

● PSK

(●) S

Эвтектоидное превращение. Перлит. С = 2+1-3 = 0!

Ф ~ 87%, Ц ~ 13%, НВ = 2000 МПа, σ_В ~ 850 МПа, δ ~ 15%

Заключение: При переходе через линию PSK весь имеющийся в сталях и чугунах аустенит превращается в перлит.

 

1. Техническое железо С ≤ 0.02%

Основная фаза феррит, в структуре нет перлита.

 

Стали: С (0.02 – 2.14)%, фазы феррит и цементит, Ф >> Ц, в структуре всегда есть перлит.

 

Чугуны: С (2.14 – 6.69)%, фазы феррит и цементит, Ц ≥ Ф, в структуре всегда есть ледебурит. Из-за огромного количества цементита чугуны по цвету излома называются белыми.

Пример:

 

Чугуны

 

Белые чугуны в технике применить нельзя, т.к. они хрупкие, литейные их качества высокие. Если не устраивают их свойства – меняют структуру. Хрупкость возникает из-за того, что много цементита.

Идея: Fe₃C разложить на Fe (Ф) и С (графит), т.е графитизировать.

 

Доэфтектический чугун: П [ Ф+Ц] + Ц_II + Л [Л [Ф+Ц] +Ц]

- частичная графитизация, П + графит;

- полная графитизация, Ф + графит (хрупкая фаза)

 

Графитизация чугунов

 

I способ – введение Si при выплавке (в присутствии кремния цементит либо не образуется, либо его очень мало).

I – белые чугуны П + Ц + Л[П+Ц], Si мало.

II – половинчатые П + графит + Ц.

III – перлитные [П+графит]

IIIа – феррито-перлитные Ф + П + графит

IIIб – ферритные Ф + графит.

III – серые маркировки, СЧ-45

IIIа – СЧ-25

IIIб – СЧ-15 – самые не прочные.

 

Свойства серых чугунов зависят от структуры основы – чем больше кремния, тем полнее графитизация, тем прочность меньше.

Также свойства зависят от размера, формы графитовых включений.

(1) – графитовые крупные пластинки, наименьшая пластичность, применяют для производства станин;

(2) – графитовые мелкие пластинки – модифицированные, применяют для производства зубчатых колес и корпусов. Соотношение Si-Ca (0.3 – 0.6)%;

(3) – графит шаровидный – модифицирование – Mg ~ (0.02 – 0.08)%, самый пластичный, применяют для производства коленчатого вала.

 

Высокопрочные чугуны ВЧ _ _ (σ_В/σ_U)-_(δ) – старая маркировка;

ВЧ _ _ (σ_В/σ_U) – старая маркировка.

 

Недостаток: из-за Si ухудшаются линейные качества (жидкотекучесть) чугуна. Для тонкостенных отливок серые чугуны не применяют.

 

II способ – применение специальной термической обработки (отжига).

Отжиг белого чугуна на ковкий:

I – форма графита.

Графитовые хлопья – компактные

КЧ _ _ (σ_В/σ_U) [кг/мм²]-_(δ)

КЧ-35-10, КЧ-60-3.

 

Недостаток: длительность процесса.

 

ЛЕКЦИИ

По курсу

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Конструкционные материалы

Классификация по назначению

1) общего назначения;

2) пружинные;

3) износостойкие;

4) с особыми технологическими свойствами;

5) легкие;

6) с высокой удельной прочностью;

7) устойчивые к температуре среды.

Свойства

1) механические (плотность, твердость);

2) технические (свариваемость, штампуемость);

3) эксплуатационные (устойчивость против коррозии);

4) физические (магнитные, объемные, электрические).

Строение (структура)

Влияние на строение:

1) изменение химического состава (чистые металлы или сплавы);

2) способ получения (отливка, поковка, выточка из прутка, порошковая технология);

3) способы обработки (пластическая деформация, термическая обработка, химикотермическая обработка).

 

ЧАСТЬ 1

Кристаллография, кристаллизация, деформация и диаграммы состояния сплавов