Полиморфные превращения в металлах

Металлы и сплавы в зависимости от температуры могут сосуществовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую. Полиморфное превращение происходит в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим уровнем свободной энергии. На рис. 12 показана кривая охлаждения чистого железа и полиморфные u1087 превращения в металле.

Рис. 12. Кривая охлаждения чистого металла (железа).

Полиморфное превращение - кристаллизационный процесс и осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста. Образование зародышей идет с соблюдением принципа структурного и размерного соответствия. Рост зерен новой фазы происходит путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов отдельных атомов (группы атомов) через мажфазную границу. В результате граница новых зерен передвигается в сторону исходных, поглощая их. Зародыши новой фазы возникают по границам старых зерен или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии.

Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации. В результате полиморфного превращения образуются новые зерна, имеющие другой размер и форму. Происходит скачкообразное изменение свойств материала.

Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это явление используется в практике термической обработки металлов.

8 Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическими и перетектическими превращениями.

На рис. 20. точка d характеризует предельную растворимость компонента β в компоненте α, а точка с компонента α в компонента β. Сплав, соответствующий точке 3, затвердевает при постоянной температуре Т4. При температуре несколько ниже жидкий сплав оказывается насыщенным по отношению к обеим фазам (α и β - твердым растворам), так как точка 3 принадлежит сразу двум ветвям ликвидуса. Поэтому из жидкости состава 3 при температуре Т4 одновременно выделяются предельно насыщенные кристаллы твердого раствора α d и β c, образующие механическую смесь.

Рис. 20. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику.

Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация α и β фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре, называют эвтектическими. Структура, состоящая из механической смеси двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называется эвтектикой. В переводе с греческого - “легкоплавящаяся”. Сплавы, располагающиеся влево от эвтектического состава и имеющие концентрацию в пределах точек d b 3, называются доэвтектическими, а справа в пределах концентрации точек 3 и с - заэвтектическими.

При кристаллизации эвтектик сначала зарождаются и растут кристаллы α − твердого раствора, богатого компонентом А. Жидкость, окружающая этот кристалл, обогащается вторым компонентом В, и в результате этого происходит выделение кристалликов α и β – твердого раствора. Жидкость, прилегающая к образовавшимся кристалликам β − фазы, в свою очередь, обогащается металлом А, и поэтому вновь выделяются кристаллики α - фазы, богатые компонентом А. В результате переменного пересыщения жидкости по отношению к α и β - фазам образуется эвтектическая колония.

Процесс кристаллизации эвтектики протекает при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз при одновременном существовании трех фаз постоянного состава система безвариантна. На кривой охлаждения образуется площадка. Одновременно кристаллизуются две фазы. После затвердевания сплав состоит из кристаллов эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов с перетектикой приведена на рис. 21. Линия acb на диаграмме соответствует линии ликвидус, а линия adeb - линии солидус.

Точка d характеризует максимальную растворимость компонента В в компоненте А, а точка е - предельную растворимость компонента А в компоненте В. Линия cde – линия перетектического превращения. Это превращение, как и эвтектическое, протекает в условиях существования трех фаз - жидкой и двух твердых α и β.

Перетектическое превращение отличается от эвтектического. При перетектическом превращении кристаллизуется только одна фаза, образующаяся в результате взаимодействия ранее выделившейся твердой фазы и жидкой части сплава определенного состава (точки с).

Процесс перетектического превращения происходит при постоянной температуре (f=0).

Процесс кристаллизации перетектического превращения не заканчивается при температуре t3, а продолжается и заканчивается, например для сплава 2 в точке, соответствующей температуре t4. Для сплава 1 при достижении температуры t3 на лини cde выделяются кристаллы как α.

Рис. 21. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перетектику.

Точка d характеризует максимальную растворимость компонента В в компоненте А, а точка е - предельную растворимость компонента А в компоненте В. Линия cde – линия перетектического превращения. Это превращение, как и эвтектическое, протекает в условиях существования трех фаз - жидкой и двух твердых α и β.

Перетектическое превращение отличается от эвтектического. При перетектическом превращении кристаллизуется только одна фаза, образующаяся в результате взаимодействия ранее выделившейся твердой фазы и жидкой части сплава определенного состава (точки с).

Процесс перетектического превращения происходит при постоянной температуре (f=0).

Процесс кристаллизации перетектического превращения не заканчивается при температуре t3, а продолжается и заканчивается, например для сплава 2 в точке, соответствующей температуре t4. Для сплава 1 при достижении температуры t3 на лини cde выделяются кристаллы как α – так и β - фазы. В процессе перетектического превращения α - фаза зарождается на поверхности β -кристаллов, обволакивает их и растет. В результате перетектической реакции могут образовываться не только твердые растворы, но и неустойчивые химические соединения, которые плавятся инконгруэнтно, т.е. при плавлении состав жидкого расплава не совпадает с составом соединения.

Эвтектика, англ. eutectic, eutecticum (от греческого слова "éutektos" - легко плавящийся) - смесь компонентов, которые плавятся при определённой, минимальной температуре.

Диаграмма с эвтектикой или диаграмма с эвтектическим превращением относится к диаграммам состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (III рода). В таких сплавах оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и не образуют химических соединений.

9 Основные механические испытания - это определение прочностных характеристик, т.е. способности выдерживать внешние механические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. По характеру приложения нагрузки испытания делятся на статические, с плавным ростом нагрузки с требуемой скоростью и динамические, когда нагрузка воздействует в виде рывка, удара.

При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении, сжатии или изгибе, предел текучести, относительное удлинение при разрыве и относительную деформацию при сжатии, модуль упругости и др. При динамических испытаниях - ударную вязкость и стойкость к вибрации. Определяются твердость, гибкость, пластичность.

Следующие типы испытаний:на растяжение пластмасс, керамики, цемента (двусторонние лопатки), пластмасс и слоистых пластиков на сжатие (призмы, цилиндры), пластмасс на раскалывание, пленок на разрыв, пластмасс на статический изгиб (брусок лежит на двух опорах и нагружен в середине).

Ударная вязкость пластмасс по Шарпи и т.д. определяется с помощью маятниковых копров. Производят с помощью тяжелого маятника с бойком. После разлома образца маятник поднимается до какой-то точки. По разности первоначального положения и конечного находят энергию удара, затраченную на разрушение. Ударная вязкость - отношение энергии удара к площади поперечного сечения образца.

Твердость определяется несколькими способами:

Метод Бринелля - вдавливается шарик при определенной нагрузке. Чем больше диаметр отпечатка - тем меньше твердость. По значению измеренного диаметра отпечатка с использованием выражения определяется значение твердости по Бринелю.

Несколько другой способ реализован в методе Роквелла. Здесь производится вдавливание конусной иглы (индентора) при определенной нагрузке и по значению смещения индентора (это характеризует глубину), определяется твердость по Роквеллу.

Еще один популярный способ основан на царапанье более твердого материала менее твердым. Тем самым определяется относительная твердость материалов. Сравнение с рядом эталонных материалов, которым присвоены номера твердости по Моосу, (алмаз -10, корунд - 9, кварцит - 7, известняк - 3 и т.д.) позволяет получить и количественную характеристику.

Твердость пленок определяют маятниковым методом - на пленку ставится маятник, чем тверже материал, тем дольше маятник качается.

10 Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение.

Диаграмма состояния системы с наличием устойчивого химического соединения показана на рис. 23.

Рис.23. Диаграмма состояния системы, образующей устойчивое химическое соединение.

В связи с особыми свойствами химического соединения на диаграмме появляется ордината этого соединения, соответствующая его составу. На этой ординате откладывается температура плавления этого химического соединения t3. Ордината делит диаграмму состояния на две части, каждая из которых представляет простейший эвтектический тип диаграмм состояния.

Химическое соединение не является компонентом, так как образуется путем взаимодействия компонентов А и В. Выше точки 1 присутствует жидкость, несколько ниже точки 1 происходит образование и рост кристаллов AmBn. В точке 2 жидкий раствор состава Е2 будет кристаллизоваться с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов компонента А и химического соединения АmBn. В итоге кристаллизации расплав состава 1 будет состоять из кристаллов компонента АmBn и эвтектики, состоящей из кристаллов химического соединения АmBn и кристаллов компонента А. Если химическое соединение неустойчиво, образуется диаграмма со скрытым максимумом. Сначала будут кристаллизоваться чистые компоненты, затем выпадут кристаллы химического соединения. Взаимодействием двух фаз будет образована третья: произойдет перетектическое превращение.