Предмет «Материаловедение». Кристаллические и аморфные тела. Анизотропия.

Предмет «Материаловедение». Кристаллические и аморфные тела. Анизотропия.

Кристаллы — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку —кристаллическую решетку.

Свойства кристаллических тел:температура плавления постоянна,имеют кристаллическую решетку.

Ам́орфные веществ́а не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило — изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы.

Свойства аморфных тел:не имеют постоянной температуры плавления,не имеют кристаллического строения,изотропны,обладают текучестью,имеют только «ближний порядок» в расположении частиц,способны переходить в кристаллическое и жидкое состояние.

Одна из основных особенностей кристаллических тел - анизо-тропия, т.е. различие физических свойств в разных направлениях.Кристаллы легко раскалываются в одних направлениях (плоскостиспайности) и тяжелее в других. Упругость кристаллов разная вдольразных осей, разная теплопроводность, скорость распространениясвета в разных направления различная и т.д. У многих кристаллованизотропия резко не проявляется. Такие кристаллы состоят измножества маленьких кристаллов ориентированных хаотично. Та-кие тела называются поликристаллическими, в отличие от монокри-сталлов – твердых тел, кристаллическая решетка которых единаяпо всему объему.

Критерии выбора материалов. Механические и физические свойства

Диаграмма с эвтектикой

В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты (рис.32). Из жидкости выделяются твердые растворы. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В – линией CG. Сплавы, расположенные между этими двумя линиями находятся за пределами растворимости и состоят из двух фаз a + b.

Рис.32. Диаграмма состояния с эвтектикой (III рода)

Окончание кристаллизации происходит по эвтектической реакции

L ® a + b

AEB – линия ликвидус, ADCB – линия солидус.

Кривые охлаждения и схемы структур для сплавов I и II показаны на рис.33.

Кристаллы b, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами (b _II), в отличие от первичных, выделившихся из жидкости. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы – вторичная кристаллизация.

Рис.33. Кривые охлаждения и схемы структур: а - сплава, образующего при кристаллизации твердый раствор с последующим выделением вторичной фазы, б - доэвтектического сплава.

Сплав, концентрация которого лежит левее точки F, не буде иметь вторичных выделений b -кристаллов. Для любых сплавов выделения вторичных a -кристаллов не будет, т.к. линия CG в отличии от FD вертикальна, т.е. растворимость компонента А в В не зависит от температуры.

Случай с перитектикой.

При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L+ b ® a. Реакция такого типа называется перитектической (рис.34).

Р ис.34. Диаграмма состояния с перитектикой (III рода)

На диаграмме показаны три однофазные области: жидкость L и ограниченные твердые растворы a и b. Линия АВС является линией ликвидус, линия APDB – линией солидус.

Кривые охлаждения и схемы структур сплавов I, II показаны на рис. 35.

Количественное соотношение фаз при перитектической реакции, необходимое для образования a -фазы, определяется по правилу отрезков соотношением:

Количество b / количество L=CP/PD

Рис.35. Кривые охлаждения сплавов после окончания перитектической реакции, в которых в избытке остаются: а) - твердый раствор, б) - жидкая фаза

В рассматриваемом сплаве количество участвующих в перитектической реакции кристаллов b и жидкости определяется соотношением

Количество b / количество L=C2/2D.

 

10,11

Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)

Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме состояния вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Если компоненты А и В образуют химическое соединение А_nВ_m, то, следовательно, на n + m его атомов приходится n атомов А и m атомов В.

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до расплавления, и неустойчиво, если при нагреве оно разлагается. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм. Кроме того, возможно образование нескольких химических соединений между двумя компонентами, а также растворимость на базе химического соединения – эти обстоятельства также находят отражение в диаграмме.

А) Диаграмма с устойчивым химическим соединением

Предположим, что оба компонента образуют одно устойчивое соединение А_nВ_m, причем и это соединение, и чистые компоненты не образуют в твердом состоянии растворов (рис.36).

Рис.36. Диаграммы состояния с устойчивыми химическими соединениями (IV рода)

Компонентами системы являются вещества А и В, а твердыми фазами – А, А_nВ_m и В. Из четырех возможных в этой системе фаз могут существовать три L, A, A_nB_m или L, B, A_nB_m. Химическое соединение устойчиво. Оно плавится при постоянной температуре.Химическое соединение можно рассматривать как однокомпонентную систему, тогда при плавлении с=0.

Б) Диаграмма с неустойчивым химическим соединением

Два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры разлагается на жидкость и один из компонентов, т.е. не расплавляется полностью (рис.37). На линии DCF находятся в равновесии три фазы: жидкость концентрации D, кристаллы компонента В и кристаллы химического соединения A_nB_m.

а б

Рис.37. Диаграмма состояния а) с твердым раствором на базе химического соединения, б) с неустойчивым химическим соединением (IV рода).

При нагреве неустойчивое химическое соединение распадается на жидкость концентрации D и кристаллы В. При охлаждении произойдет обратная реакция: L_D+B ® A_nB_m

Реакция эта подобна перитектической. Жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор, как в случае с перитектической реакции, а химическое соединение.

 

1 2. Диаграмма состояния железо-цементит. Основные структуры Fe - C, анализ стального участка диаграммы.

Рассмотрим «стальной» участок диаграммы. В качестве приме­ра рассмотрим наиболее характерные сплавы: доэвтектоидный I, эвтектоидный II и заэвтектоидный III (рис. 1.42). При нагреве от комнатной температуры до 727 °С в сплаве I фазовых превращений не происходит. При температуре 727 °С перлит превращается в аустенит (точка а). Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают A_{c 1}, а при охлаждении — A_{r 1}. Буквы с и r указывают, происходят ли превращения при нагреве или охлаждении стали, а цифра 1 означает критическую точку на линии PSK.

 

При дальнейшем нагреве в сплаве I зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке a ₁, лежащей на линии GS, которую называют верхней критической точкой, и обозначают при нагреве Ac₃, при охлаждении — A_{r 3}. При нагреве эвтектоидного сплава II перлит в точке S (линия PSK) при 727 °Спревращается в аустенит. Критические точки A_{c 1}и А_{с з} при этом совпадают. При нагреве сплава III в точке b при 727° С перлит превращается в аустенит (точка A_c1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b ₁, лежащей на линии SE, этот процесс заканчивается. Эту точку обозначают A_cm.

Таким образом, критические точки, образующие линию PSK, обозначаются A_c1 (при нагреве) и A_r1 (при охлаждении), линию GS — A_c3 (при нагреве) и А_rз (при охлаждении), линии SE—A_cm (при нагреве) и A_rm (при охлаждении).

Стали, применяемые для деталей машин, приборов и ответственных конструкций, называются конструкционными. Эти стали должны обладать хорошим комплексом механических свойств (высокими прочностью, пластичностью и вязкостью) и иметь хорошие технологические свойства (обрабатываемость резанием и давлением, свариваемость и т. д.). Сталь, содержащая некоторое количество постоянных примесей (марганца до 0,7 %, кремния до 0,4 %, серы до 0,06 %, фосфора до 0,07 %) и газы, в которой углерод оказывает основное влияние на свойства, называется углеродистой.

13. Диаграмма состояния железо-цементит. Основные структуры Fe-C, анализ чугунного участка диаграммы.

14. Диаграмма состояния железо-цементит. Основные структуры Fe-C, анализ участка с перитектикой.

15. Фазовые превращения сталей. Образование аустенита

16. Фазовые превращения сталей. Распад аустенита, диаграмма распада аустенита.

17. Фазовые превращения стали, образование мартенсита.

18. Фазовые превращения стали, распад мартенсита.

Коррозионностойкие стали.

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды.
При этом металлы часто покрываются продуктами коррозии. В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида изделий.
Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов (кислот, щелочей, солей). К электрохимической коррозии относятся так же атмосферная и почвенная коррозия.

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионностойкими (нержавеющими).

Хромистые коррозионностойкие стали (ферритные). Введение 2-13% Cr делает сталь устойчивой против коррозии на воздухе, в морской и пресной воде и некоторых кислотах. При увеличении содержания Cr выше15%, сталь приобретает устойчивость против коррозии в окислительных средах, в том числе в HNO₃.

Хромоникелевые корозионностойкие стали подвергают закалке с температуры 1100-1150^оС в воде, для получения однофазной аустенитной структуры.
В закаленном состоянии эти стали обладают наибольшей устойчивостью против коррозии. Они полностью устойчивы в пресной и морской воде, в органических, а также в азотной и серной кислотах и ряде других сред.

 

Литейные магниевые сплавы.

Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300^oС.

Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.

Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето- и ракетостроении.

 

Предмет «Материаловедение». Кристаллические и аморфные тела. Анизотропия.

Кристаллы — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку —кристаллическую решетку.

Свойства кристаллических тел:температура плавления постоянна,имеют кристаллическую решетку.

Ам́орфные веществ́а не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило — изотропны, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы.

Свойства аморфных тел:не имеют постоянной температуры плавления,не имеют кристаллического строения,изотропны,обладают текучестью,имеют только «ближний порядок» в расположении частиц,способны переходить в кристаллическое и жидкое состояние.

Одна из основных особенностей кристаллических тел - анизо-тропия, т.е. различие физических свойств в разных направлениях.Кристаллы легко раскалываются в одних направлениях (плоскостиспайности) и тяжелее в других. Упругость кристаллов разная вдольразных осей, разная теплопроводность, скорость распространениясвета в разных направления различная и т.д. У многих кристаллованизотропия резко не проявляется. Такие кристаллы состоят измножества маленьких кристаллов ориентированных хаотично. Та-кие тела называются поликристаллическими, в отличие от монокри-сталлов – твердых тел, кристаллическая решетка которых единаяпо всему объему.