Раздел 5. Теоретическое материаловедение

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Материаловедение – наука о материалах, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических и неметаллических материалов, закономерности их изменения при механическом, тепловом и других видах химических воздействий. Она создает научную основу получения разнообразных по составу материалов с заданными свойствами. Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем и в своей основе базируется на соответствующих разделах физики, химии и математики. Основное внимание в материаловедении уделяется металлическим материалам, т.к. сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают две группы сплавов железа с углеродом – стали и чугуны.

В тоже время, в последние годы значительное внимание уделяется разработке неметаллических композиционных материалов, где достигнут несомненный успех и что является одним из важнейших направлений развития современного материаловедения.

Строение и свойства чистых металлов

Прежде чем начать изучать эту главу, необходимо понять, что в природе существует две разновидности твердых тел, различающихся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми до вполне определенной температуры при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Так, у чистых металлов, переход из одного состояния в другое протекает при ограниченной, всегда постоянной температуре плавления.

Аморфные тела при нагревании размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении, но часто с изменением свойств самого материала.

Уясните для себя, что кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное и это обусловлено упорядоченным, геометрически правильным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул).

Формирование структуры металлов при кристаллизации

Движущей силой процесса кристаллизации является разница свободных энергий жидкой и твердой фаз, возникающая при переохлаждении расплава ниже равновесной температуры кристаллизации. Конечная структура затвердевшего сплава определяется условиями кристаллизации, а именно: степенью переохлаждения, скоростью охлаждения, присутствием нерастворимых, тугоплавких частиц, являющихся дополнительными центрами кристаллизации. Каждое зерно, образующееся в результате кристаллизации, представляет собой дендритный кристалл, химический состав которого изменяется от центра к периферии.

Зарисуйте и разберите строение металлического слитка в зависимости от условий кристаллизации.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое равновесная температура кристаллизации?

2. Какова физическая природа кристаллизации? Какие виды кристаллизации вы знаете?

3. Чем определяется конечная структура сплава при кристаллизации?

4. Что такое дендрит?

5. Что такое ликвация?

6. Что такое модификация?

5.1.2. Вторичная кристаллизация металлов

Большое количество металлов способно перестраивать тип своей кристаллической решетки при достижении определенных температур. При каждой данной температуре равновесным будет тот тип решетки, который имеет наименьшую свободную энергию. Такое явление носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка одного типа решетки металла в другой при полиморфном превращении может происходить по двум механизмам: за счет диффузионного перераспределения атомов (нормальный) и за счет кооперативного сдвига атомов при мартенситном превращении.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое полиморфизм?

2. Что является главным условием протекания полиморфного превращения?

3. Какую кристаллическую решетку имеют: α -Fe, γ -Fe, α -Ti, β -Ti, α -Co?

Строение и свойства металлических сплавов

Необходимо понимать, что применение чистых металлов в промышленности крайне ограниченно. Их использование не всегда экономически выгодно, а часто и не оправдано, так как они не могут обеспечить требуемый комплекс свойств. В этом смысле наиболее перспективны сплавы, которые позволяют реализовать как любое достижимое свойство, так и целую группу требуемых свойств.

Фазовый состав сплавов

При рассмотрении этой главы следует усвоить следующие понятия: «компонент», «фаза», «структурная составляющая». В процессе образования сплавов компоненты вступают между собой во взаимодействия различного вида, зависящие от их природы и количественного соотношения. Необходимо, прежде всего, усвоить два противоположных вида взаимодействий: твердые растворы и химические соединения. Остальные фазы, встречающиеся в сплавах, являются промежуточными, так как имеют свойства, характерные как для твердых растворов, так и для химических соединений. Следует также усвоить, что структура - это форма существования фазовых составляющих. Одна и та же фаза может входить в состав механической смеси и существовать в виде самостоятельных формирований.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое твердый раствор? Назовите его свойства?

2. Охарактеризуйте виды твердых растворов?

3. Какими условиями определяется образование твердых растворов различного типа?

4. Назовите свойства химических соединений?

5.2.2.Понятия о диаграммах состояния двойных систем

Следует четко определять понятия: «термодинамическая система», «свободная энергия системы», «компонент», «фаза», «термодинамическое равновесие системы». Особое внимание уделите разбору правила фаз и рассчитайте число степеней свободы при кристаллизации чистого металла и двухкомпонентного сплава.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллизация) совершается в условиях, когда система переходит в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. Для этого перехода необходимо наличие разницы в свободных энергиях твердой и жидкой фаз, причем энергия твердой фазы должна иметь более низкое значение. Процесс кристаллизации начинается с образования зародышей твердой фазы и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Для описания кристаллизации чистого металла достаточным является построение термической кривой. При кристаллизации двухкомпонентных сплавов в равновесном состоянии используются диаграммы состояния, которые в удобной графической форме позволяют судить о их фазовом составе в любой точке диаграммы. Оценка количества фаз в двухфазной области производится в соответствии с правилом отрезков (рычага).

При изучении диаграмм состояния следует усвоить основные их типы: диаграмма с образованием механической смеси компонентов; с неограниченной растворимостью компонентов; эвтектического типа; перитектического типа; с образованием химического соединения; с полиморфным превращением. В реальных диаграммах состояния следует научиться находить основные типы превращений.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое диаграмма состояния (фазового равновесия)? Какие методы ее построения Вы знаете?

2. Перечислите основные типы диаграммы состояния?

3. В чем заключается суть эвтектического (перитектического) превращения?

4. Как определить фазовый состав сплава при заданной температуре?

5. Как определяется соотношение количества фаз в сплаве при заданной температуре?

Зависимость свойств сплавов от типа диаграммы состояния

Весьма важным следует считать изучение диаграмм «состав-свойство» (правило Курнакова Н.С.), которое составляет основу физико-химического анализа сплавов. Поймите физический смысл изменения таких свойств, как пластичность, жидкотекучесть, электросопротивление и др. в зависимости от типа фаз в концентрационном интервале существования двухкомпонентной системы.

Вопросы для самопроверки

1. Почему твердые растворы обладают высокой пластичностью?

2. Почему литейные свойства выше у сплавов по составу близких к эвтектическому?

3. Какие сплавы обладают повышенной обрабатываемостью резанием?

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒