Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

Наклёп  – это совокупность структурных изменений  и связанных с  ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции  зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции  обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическая  деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11. Возврат, полигонизация,  рекристаллизация металлов и сплавов.

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу  и дислокации, однако эти перемещения  носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с  другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: T_p=aT_пл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера  зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

12. Строение сплавов.  Система, компонент,  фаза.

Сплав – макроскопическое однородное тело, состоящее из двух или нескольких веществ, обладающих характерными свойствами, присущими металлическому состоянию.

Сплавом называют результат сплавления двух или более  компонентов. Компоненты – вещества, входящие в состав сплава. В качестве компонентов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Компоненты, находящиеся в состоянии физико-химического взаимодействия образуют термодинамическую систему, при этом в системе возникают как жидкие, так и твердые фазы. Фаза – однородная часть термодинамической системы, одинаковая по всем свойствам,  независящим от массы. Фазы отделены друг от друга поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно. Система может быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:

1) при сплавлении  компонентов с большим различием в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных  кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты  сплава в твердом состоянии  в любой пропорции ( или не  в любой) растворяются друг  в друге, тогда образуется гомогенный сплав, содержащий лишь один сорт кристаллов, называемых кристаллами твердого раствора.

3) Компоненты  при определенном соотношении  образуют соединения, кристаллическая  решетка которых отличается от  крист. решетки исходных компонентов.  Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

13. понятие о гетерогенной  структуре, твердом  растворе и химическом  соединении. Виды  твердых растворов.

 Система может  быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:

1) при сплавлении  компонентов с большим различием  в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных  кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты  сплава в твердом состоянии  в любой пропорции ( или не  в любой) растворяются друг  в друге, тогда образуется гомогенный  сплав, содержащий лишь один  сорт кристаллов, называемых кристаллами  твердого раствора.

3) Компоненты  при определенном соотношении образуют соединения, кристаллическая решетка которых отличается от крист. решетки исходных компонентов. Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами.

Твердые растворы – твердые однородные кристаллические фазы переменного состава, состоящие из двух или более числа компонентов, сохраняющих однородность при изменении соотношения между этими компонентами. В этих  фазах атомы различных компонентов образуют общие кристаллические решетки, свойственную растворителю. Между химическими элементами могут образовываться твердые растворы 2-х типов: замещения и внедрения.

Тв. растворы замещения образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.

2) Растворенный  компонент.

Для того, чтобы  получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:

 а) Кристаллические  решетки обоих компонентов являются  изоморфными (однотипными)

б) Разница в  атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %

в) Сплавляемые компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение  хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента. 

Твердые растворы внедрения  образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения.

Твердые растворы вычитания.

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные  узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

Промежуточные фазы или интерметаллические соединения:

1) упорядоченные  твердые растворы или сверхструктуры;

2) фазы Лависа;

3) электронные  соединения;

4)фаза внедрения;

Упорядоченные твердые растворы – это растворы, когда при определенных стехиометрических соотношениях имеет место упорядочение, т.е атомы занимают строго определенное место в кристаллической решетке; при упорядочении меняются параметры решетки.

Фаза  Лависа – характеризуется тем, что образуются соединения типа АВ₂. В зависимости от вида соединений  один и тот же элемент может играть роль А или В (MgCu₂, CuBe₂), соотношение радиусов  R_a/R_b=1, 223.

Электронные соединения – фазы переменного состава, образуются между элементами из следующих групп: с одной стороны- медь, серебро, золото, железо, кобальт, никель, палладий, платина, а с другой стороны – бериллий, цинк, кадмий, олово, кремний. Определенное соотношение валентных электронов: 7/4, 3/2, 21/13.

Фазы  внедрения –  соединения неметаллические, с переходными металлами. Состав описывается следующими формулами: Ме4Х, Ме3Х, Ме2Х, МеХ, МеХ2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

14. Правило фаз Гиббса  и правило отрезков.

Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры  и давления) и характеризуется  числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах определяется правилом Гиббса. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степени свободы, числом компонентов и числом фаз. С = К + 2 – Ф, где к – число компонентов, с – число степеней свободы,  ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости   с = к -ф + 1 при условии постоянства давления. Под числом степени свободы понимают зависимость изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если С =0, то система  безвариантна, то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы  системы без того, чтобы это  не вызвало изменения числа фаз.  Если С = 1 – моновариантная система, то возможны изменения одного из перечисленного фактора (давления или темп), и это не вызовет изменения числа фаз. При С = 2 система бивариантная. Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовым превращением любого состава и указать состав и конечное соотношение фаз при любой температуре при помощи двух простых правил: