Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и кривые охлаждения типичных сплавов.

Вопросы для подготовки к коллоквиуму по дисциплине

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Для групп М1О-104С-20, 105С, 106С, 107С

 

Глава I . Строение и свойства металлических материалов

 

Основные типы кристаллических решеток технически важных металлов. Примеры. Полиморфные превращения в металлах.

 

Кристаллическая решетка или элементарная ячейка-минимальный объем, однозначно характеризующий расположение атомов в пространстве.

Тип решетки – определяет взаимное расположение атомов в пространстве.

Все многообразие материалов описывается 14 типами пространственных решеток, объединяемых в 7 кристаллических систем. При этом большинство материалов образованы так называемыми плотноупакованными ячейками, к которым относятся: - объемно-центрированная кубическая (ОЦК); - гранецентрированная кубическая (ГЦК); - гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Примеры плотноупакованные решетки:

ОЦК- Fe_а, Fe_б, Ti_г, Cr, Nb(ниобий), Mo, Ta, Na, Li.

ГЦК- Fe, Al, Ni, Cu,Ag, Au.

ГПУ- Ti_а, Mg, Zn, Be(Бериллий), Ru(Рутений)

 

2. Точечные (нульмерные) дефекты кристаллического строения металлов.

К ним относятся: вакансии (дефекты Шоттки), дислоцированные (междоузельные) атомы, примесные атомы и дефекты Френкеля.

 

Вакансия – отсутствие атома в узле кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлии.

Примесный атом внедрения – чужеродный атом в междоузельном пространстве.

Примесный атом замещения – чужеродный атом в узле кристаллической решетки

Атом может переместиться из узла решетки, оставляя там вакансию, в междоузлие, удаленное от узла на некоторое (небольшое) расстояние. Такой дефект в виде пары вакансия — междоузельный атом называется дефектом по Френкелю.

Если атом покидает узел решетки, оставляя в нем вакансию, и уходит за пределы решетки на поверхность кристалла, достраивая ее, то в решетке остаются только вакансии. Такой тип дефекта в виде незанятых (вакантных) узлов решетки называется дефектом по Шоттки.

 

3. Линейные (одномерные) дефекты кристаллического строения металлов. Свойства дислокаций.

Линейные дефекты-эти дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем.

К ним относятся: цепочка вакансий (например, возникает при облучении материалов потоком тепловых нейтронов) и дислокации (краевые, винтовые и смешанные).

Краевая дислокация – локализованное упругое искажение кристаллической решетки, вызванное наличием лишней атомной полуплоскости (экстраплоскости).

Винтовая дислокация – локализованное упругое искажение кристаллической решетки в окрестности линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой (геликоидной) поверхности.

4. Поверхностные (двумерные) дефекты кристаллического строения металлов.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях

К ним относятся: свободная поверхность кристалла, границы зерен, фрагментов и блоков, межфазные поверхности.

5. Теоретическая и реальная прочность металлов. Кривая Бочвара-Одинга.

Теоретическая прочность -сопротивление материалов деформации и разрушению, рассчитанное с учетом сил межатомного взаимодействия для бездислокационного кристалла.

Реальная прочность (техническая) твердых тел на два - три порядка меньше теоретической, так как в материале есть микротрещины различных размеров и ориентации. Трещины являются концентраторами напряжения, напряжение на их краях может быть во много раз больше среднего напряжения в сечение образца.

 

6. Диаграмма растяжения пластичных металлов и сплавов. Основные характеристики механических свойств, определяемые из испытаний на растяжение.

Условные напряжения — отношение нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения: о_усл = F/Aq,

Условные деформации — отношение удлинения образца к его первоначальной длине: е = AL/L₀.

Е – модуль упругости (модуль Юнга I рода) – физическая величина,

характеризующая способность материала сопротивляться растяжению/сжатию при

упругой деформации. Определяет жесткость материала

 

σ_пц – предел пропорциональности – напряжение, до которого справедлив закон Гука(σ = Е·ε – закон Гука)

σ_уп – предел упругости – напряжение, до которого возникающие в материале деформации являются упругими.

При σ > σ_уп возникающие в материале деформации складываются из обратимой (упругой) и необратимой (остаточной) частей: ε = ε_упр + ε_ост.

σ_т – предел текучести – напряжение, при котором материал приобретает значительные остаточные деформации без увеличения нагрузки.

σ_в – условный предел прочности – это максимальная нагрузка, которую способен выдержать материал при площади поперечного сечения F₀.

σ_к – условное конечное напряжение (условное напряжение разрушения) – напряжение, при котором образец разделяется на две части.

ε – относительное удлинение при растяжении (относительная деформация).

δ – относительное удлинение при разрыве.

ψ – относительное сужение при разрыве.

 

Истинное напряжение – напряжение, вычисленное при фактическом (истинном) значении поперечного сечения F_ист (с учетом его утонения при σ > σ_уп).

 

 

 

7. Диаграмма растяжения хрупких металлов и сплавов. Основные характеристики механических свойств, определяемые из испытаний на растяжение.

 

 

8. Твердость металлов и сплавов. Ударная вязкость металлических материалов. Удельная прочность.

Твердость – свойство материала, характеризующее сопротивление пластическому деформированию при вдавливании в его поверхность заведомо более твердого объекта (индентора).

Твердость по Бринеллю (HB) – метод основан на вдавливании в исследуемый материал шарика диаметром D из закаленной стали или твердого сплава (WC-Co)

Твердость по Роквеллу (HR) – метод основан на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120° (для высокотвердых сплавов и керамик) или шарика диаметром D = 1,5875 мм из закаленной стали (для менее твердых материалов).

Твердость по Виккерсу (HV) – метод основан на вдавливании в исследуемый материал четырехгранной алмазной пирамиды с углом α = 136° между противоположными гранями

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует способность материала к быстрому поглощению энергии.

Удельная прочность — предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе.

 

9. Жаропрочность. Ползучесть. Критерии оценки жаропрочных свойств металлов и сплавов (предел ползучести, предел длительной прочности).

Ползучесть – постепенная пластическая деформация материала, происходящая в условиях одновременного действия механической нагрузки и повышенной температуры (как правило, при T > Tр ).

Жаропрочность – сопротивление ползучести.

Предел ползучести - это такое напряжение A, которое при температуре T за заданный промежуток времени τ вызывает строго заданную деформацию ε.

Предел длительной прочности - это такое напряжение B, под воздействием которого при заданной температуре T материал сохраняет свою работоспособность в течение промежутка времени τ. При превышении указанного времени материал разрушается в результате ползучести.

 

10.Жаропрочность. Пути повышения жаропрочности.

Основные пути повышения жаропрочности материалов

1. Создание крупнозернистой структуры материала с целью снижения суммарной протяженности границ зерен и, как следствие, для уменьшения зернограничного проскальзывания.

2. Создание гетерофазной структуры материала с целью затруднения перемещения дислокаций и, как следствие, для снижения развивающихся деформаций.

3. Легирование сплавов тугоплавкими элементами с целью увеличения общей температуры плавления и, как следствие, для замедления протекающих диффузионных процессов.

4. Переход от поликристаллической равноосной структуры материала к поликристаллической направленной структуре или монокристаллической структуре.

5. Использование сплавов на основе тугоплавких металлов (Nb, Mo, Ta, W), углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов (УУКМ и УККМ), ультравысокотемпературных керамик

 

11.Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов: понятие, способ построения. Кривые охлаждения сплавов.

 

Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состава (структуры) сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Построение диаграмм состояния осуществляют с использованием методов термического анализа, основанных на принципе Ле-Шателье: фазовые превращения в материале при нагреве/охлаждении происходят с изменением теплосодержания системы (эндо- или экзо- эффекты). Алгоритм построения диаграммы

 1. Построить серию кривых охлаждения для сплавов различных составов

 2. Определить критические точки (критической точкой называется температура, при которой происходит изменение фазового состояния сплава или чистого компонента);

 3. Отметить найденные критические точки на плоскости в координатах «температура – концентрация»;

 4. Соединить одноименные критические точки плавными кривыми линиями. Полученный график является диаграммой состояния сплавов в исследуемой системе

 

Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и кривые охлаждения типичных сплавов.

abc – ликвидус сплавов системы Cu-Ni (линия начала кристаллизации);

adc – солидус сплавов системы Cu-Ni (линия окончания кристаллизации).

13.Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (диаграмма состояния смесей) и кривые охлаждения типичных сплавов (на примере системы Pb-Sb).

 

 

acb – ликвидус сплавов системы Pb-Sb;

ac – линия начала кристаллизации Pb;

cb – линия начала кристаллизации Sb;

dcf – солидус сплавов системы Pb-Sb;

точка С – эвтектическая точка

Эвтектика – смесь нескольких фаз, одновременно кристаллизующихся из жидкости.

dcf – эвтектическая линия – линия, на которой вся оставшаяся в системе жидкость принимает концентрацию эвтектической точки (Sb = 13%) и кристаллизуется в эвтектику (Pb + Sb).

14. Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и кривые охлаждения типичных сплавов (на примере системы Al-Cu).

 

kd – сольвус для α – линия переменной (ограниченной) растворимости Cu в Al (при охлаждении по этой линии из твердого раствора α выделяются кристаллы фазы CuAl2 в связи с уменьшением растворимости Cu в решетке Al).

Наличие переменной растворимости компонентов в твердом состоянии позволяет изменять структуру и, следовательно, свойства сплавов термообработкой!

 

15. Диаграмма состояния системы Fe-C. Смысл основных линий и точек диаграммы. Стали. Чугуны (понятие).

Fe – полиморфный металл

 

 

Цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C с концентрацией углерода С = 6,67 мас.%;

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой ОЦК (Feα(C) или Feδ(C));

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой ГЦК(Feγ(C)).

ACD – ликвидус сплавов системы Fe-C;

AC – линия начала кристаллизации аустенита;

CD – линия начала кристаллизации первичного цементита;

AECF – солидус сплавов системы Fe-C;

точка С – эвтектическая точка

 

ЕСF – эвтектическая линия – линия, на которой вся оставшаяся в системе

жидкость принимает концентрацию эвтектической точки (С = 4,3%) и

кристаллизуется в эвтектику (А + Ц);

GS – температура начала полиморфного превращения аустенита в феррит;

GP – температура окончания полиморфного превращения аустенита в феррит;

ES – сольвус для аустенита – линия переменной (ограниченной) растворимости

углерода в аустените (при охлаждении по этой линии из аустенита выделяются

кристаллы вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости С);

PQ – сольвус для феррита (при охлаждении по этой линии из феррита

выделяются кристаллы третичного цементита);

PSK – эвтектоидная линия – линия, на которой весь оставшийся в системе

аустенит превращается в перлит

 

 

Стали – сплавы в системе Fe-C c содержанием углерода 0,025 < С ≤ 2,14 мас.%.

Чугуны – сплавы в системе Fe-C c содержанием углерода 2,14 < С ≤ 6,67 мас.%.

16. Классификация сталей по содержанию углерода. Влияние концентрации углерода на структуру и механические свойства сталей.

 

С увеличением содержания углерода в стали (как уже было сказано) возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность и вязкость.