Шпаргалка по "Материаловедение"

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (рисунок 2, позиция а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рисунок 2, позиция б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, Feγ)

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

 

2 Строение реальных кристаллов, дефекты строения.

Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др.

Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам:

1) точечные (нульмерные) малы во всех трех измерениях, их размеры не больше нескольких атомных диаметров - это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы;

2) линейные (одномерные) малы в двух  направлениях, а в третьем направлении  они соизмеримы с длиной кристалла - это дислокации, цепочки вакансий  и межузельных атомов;

3) поверхностные (двумерные) малы только  в одном направлении и имеют  плоскую форму - это границы зерен, блоков и двойников, границы доменов;

4) объемные (трехмерные) имеют во  всех трех измерениях относительно  большие размеры - это поры, трещины;

Точечные дефекты - это вакансии, т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла, или атомы, внедрившиеся в межузлие решетки. Вышедший из равновесного положения атом называют дислоцированным, а оставшееся пустое место в узле решетки - вакансией.

Вакансии и дислоцированные атомы вызывают искажение решетки, распространяющееся примерно на пять параметров.

Дислоцированный атом и вакансии непрерывно перемещаются по решетке вследствие неравномерного распределения энергии между атомами. Количество такого рода дефектов очень велико, например, в 1 см³ кадмия при температуре 300 °С наблюдается 10¹³ вакансий, а время существования вакансии всего лишь 0,0004 с.

Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке, вакансии встречаются и скапливаются, образуя другой вид дефектов решетки, который называется дислокация и относится уже к линейным дефектам. Наиболее распространены дислокации двух типов: линейные или краевые и винтовые или спиральные. Дислокации можно легко представить путем смещения одной части кристалла по отношению к другой, но не по всей плоскости, а только по ее части. При этом часть соседних атомов в плоскости смещается по отношению к своим соседям, а часть плоскости остается без нарушения взаимного расположения атомов.

В случае линейной дислокации сдвиг происходит по плоской поверхности, а в случае винтовой дислокации сдвиг идет по винтовой поверхности. Величина единичного смещения плоскостей характеризуется вектором Бюргере b, который отражает как абсолютную величину сдвига, так и его направление (правая и левая винтовая дислокация, положительная и отрицательная краевая дислокация). Чистые металлы получить технически очень трудно и по этой причине в металле присутствуют примеси различного происхождения. В зависимости от природы примесей и условий попадания их в металл они могут быть растворены в металле или находиться в виде отдельных включений. На свойства металла наибольшее влияние оказывают чужеродные растворенные примеси, атомы которых могут располагаться в пустотах между атомами основного металла (атомы внедрения) или в узлах кристаллической решетки основного металла (атомы замещения). Если атомы примесей значительно меньше атомов основного металла, то они образуют растворы внедрения, а если больше - то образуют растворы замещения . В том и другом случаях решетка становится дефектной и искажения ее влияют на свойства металла. Наличие дислокаций и несовершенство кристаллов, с одной стороны, оказывают ослабляющий эффект на металл, а при определенных условиях дефекты могут упрочнять металл. Упрочняющий эффект обусловлен взаимодействием дислокаций друг с другом и с различными несовершенствами кристаллического строения. Сущность процесса упрочнения состоит в торможении дислокаций, создании препятствий для их перемещения.

Взаимодействие дислокаций многообразно и сложно. Они могут взаимодействовать в одной или разных плоскостях, иметь одноименный или разноименный знак, но если искажение решетки в результате их взаимодействия увеличивается, то возрастает сопротивление деформации кристалла. Поверхностные дефекты наблюдаются прежде всего на границах зерен.

Граница зерен - это поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией . Эта поверхность является двумерным дефектом, имеющим значительные размеры в двух измерениях, а в третьем - его размер соизмерим с атомным. Границы зерен - это области высокой дислокационной плотности и несогласованности строения граничащих кристаллов. Атомы на границе зерен имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерен и, как следствие этого, более склонны вступать в различные взаимодействия и реакции. На границах зерен отсутствует упорядоченное расположение атомов. Каждое из зерен металла состоит из отдельных фрагментов, а последние - из блоков, образующих мозаичную структуру. Зерна металла взаимно разориентированы на несколько градусов, фрагменты разориентированы на минуты, а блоки, составляющие фрагмент, взаимно разориентированы всего лишь на несколько секунд. На границах зерен в процессе кристаллизации металла скапливаются различные примеси, образуются дефекты, неметаллические включения, оксидные пленки. В результате металлическая связь между зернами нарушается и прочность металла снижается. Состояние границ зерен металла оказывает большое влияние на их свойства.

Рис. 3.6. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

 

3 Основы кристаллизации металлов. Закон Таммана

 

 При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

 

 F - изменение свободной  энергии системы.

Исходя из вышесказанного меньше свободной энергии после нагрева выше температуры TS является жидкое состояние, ниже температуры TS кристаллическое. Температура TSназывается теоретической температурой плавления (кристаллиз.). Однако ни процесса плавления ни процесса рекристаллиз. при этой температуре проходить не может т.к. свободные энергии при TS жидкого и кристаллич. состояния будут равны: Fж = Fкр . Для того, чтобы пошел процесс рекристаллиз. металл необходимо переохладить относительно теоретической температуры TS. В этом случае свободная энергия кристалл. состояния будет меньше по-сравнению с жидк. состоянием.

Температура, при которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения.

 

 На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет температуру TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

Процесс кристаллизации металлов состоит из двух стадий:

а) из стадии зарождения центров кристаллизации

б) из стадии их роста

Для жидкого состояния характерен ближний порядок в расположении атома. Атомы располагаются не хаотически, как в газообразном состоянии и не закономерно, т.е. в определенных узлах кристаллической решетки, как в твердом состоянии. Ближний порядок характеризуется тем, что атомы в микрообъемах жидкости располагаются так, как в твердом состоянии. Однако эти объемы могут рассасываться и возникать вновь. Чем ниже температура, тем больше в жидкости таких микрообъемов. При определенных условиях эти микрообъемы и являются центром кристаллизации. Однако не все центры способны к росту. Если размер центра (зародыша) меньше какой-то величины для данной степени переохлаждения, то этот зародыш растворяется, если больше, то он растет. Минимальный размер зародышей склонных к росту при данной степени переохлаждения, называется критическим и такой зародыш является устойчивым. Чем больше степень переохлаждения, тем меньший размер зародыша способен к росту. Рост зародышей осуществляется путем последовательного присоединения к ним атомов из окружающей жидкости.

Присутствие примеси в металле облегчает процесс центров кристаллизации, т.к. примесь является подложкой, на которой происходит зарождение центров.

Закон Таммана (нужно будет уточнить )

 

4 Пластическая деформация металлов и сплавов.

Пластическое деформирование металлов и сплавов имеет очень большое значение в технике, так как подавляющую часть их, особенно стали, обрабатывают давлением. Важнейшие технологические процессы обработки металлов давлением, такие как ковка, штамповка, прокатка, прессование, волочение и др., основаны на способности металлов получать под действием внешней силы остаточные пластические деформации, обеспечивающие необходимые размеры и форму заготовок и изделий. Процесс пластической деформации также является основой обработки металлов резанием. Способность металлов пластически деформироваться имеет большое значение и для обеспечения надежности и долговечности работы изделий. Если способность металла изделий к пластической деформации мала, то в таких изделиях в процессе работы может скорее произойти хрупкое разрушение.

Одновременно с изменением размеров и формы в пластически деформируемом изделии изменяются структура и свойства. Это дает возможность использовать пластическое деформирование как технологическую операцию, изменяющую в желательном направлении структуру и свойства металлов и сплавов. Особое значение пластическое деформирование приобретает в том случае, когда металлы и сплавы не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и путем термической обработки нельзя изменить их структуру и свойства (например, для легированных аустенитных и ферритных сталей).

Пластическая деформация протекает не только под действием внешней силы, но и под влиянием внутренних фазовых превращений, сопровождающихся объемными изменениями (внутрифазовый наклеп). Внутрифазовый наклеп оказывает влияние на структуру и существенно отражается на формировании свойств при термической обработке металлов и сплавов.

5 Наклеп и рекристаллизация металлов и сплавов.

Наиболее впечатляющим свойством металлов при пластической деформации является деформационное упрочнение, или способность металлов становиться прочнее при деформации. Из дислокационной теории следует, что для упрочнения металлов необходимо каким-либо образом затруднить движение дислокаций. Существует несколько способов закрепления дислокаций, один из которых является деформационным. Ранее рассмотренное простейшее введение дислокации в кристалл при сдвиге показывает, что пластическая деформация увеличивает количество дислокаций в кристалле. Чем сильнее воздействие на металл, тем больше в нем образуется дислокаций. На начальной стадии деформация происходит за счет скольжения относительно небольшого количества дислокаций. В процессе деформирования они движутся через кристалл и могут закрепляться различными препятствиями. Такие закрепленные дислокации сами затрудняют движение вновь возникших дислокаций, т.е. создается упрочнение самими дислокациями. В этом случае говорят об упрочнении деформацией или просто о наклепеметалла. Пластическая деформация оказывает существенное влияние на механические свойства металла и его структуру (рис. 6).

 

 На рис. 6 показано, как под действием приложенной нагрузки зерна, из которых состоят все технические металлы, начинают деформироваться и вытягиваться, сохраняя свой объем. Это структурно неустойчивое состояние. Кроме того, внутри каждого зерна и по его границам сосредотачивается большое количество дислокаций, плотность которых возрастает. То есть, кристаллическая решетка зерен становится искаженной, несовершенной. С увеличением степени деформации наклеп увеличивается, а пластичность уменьшается, что приводит при большой степени деформации к возникновению трещин и разрушению.

Для снятия наклепа деформируемый металл нагревают. Заключительным и сильно действующим процессом, переводящим наклепанный металл в устойчивое состояние, являетсярекристаллизация – процесс полной или частичной замены деформированных зерен данной фазы другими, более совершенными зернами той же фазы (рис. 7). Рекристаллизация заключается в зарождении новых, более совершенных зерен и их росте за счет менее совершенных, т.е. рекристаллизация является диффузионным процессом, протекающим во времени.

Наименьшую температуру, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение, называют температурой рекристаллизации.Между температурой рекристаллизации (Тр) и температурой плавления (Тпл) металлов существует простая зависимость, определенная металловедом А.А. Бочваром:

Тр = a×Тпл (К).

 

 Если Тр определяют по изменению твердости, то за Тр принимают температуру, при которой прирост твердости, созданный деформацией, уменьшается вдвое (см. рис. 8).

Рис. 8. Определение температуры рекристаллизации по изменению твердости при нагреве

 
Температура рекристаллизации необходима для назначения режимов рекристаллизационного отжига– термической обработки для снятия наклепа. Температура такого отжига должна быть выше температуры рекристаллизации для данного сплава.

По температуре рекристаллизации различают холодную и горячую пластическую деформацию металлов.

 

 Холодная деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре ниже температуры рекристаллизации. При холодной деформации увеличивается плотность дислокаций, зерна вытягиваются в направлении деформации, увеличивается прочность металла и снижается пластичность.

Горячая деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации. При горячей обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке, прессовании) упрочнение, создаваемое в процессе деформации, снимается в результате рекристаллизации в ходе самой деформации.