Полиморфные превращения

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных поли­морфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного тина, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в дру­гую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (крити­ческая точка) и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощением теплоты - в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фазы, для того чтобы полиморф­ное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перена­грев) относительно равновесной температуры, для возникновения разности свободных энергий между исходной и" образующейся новой модификация­ми. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переохлаждения. Полиморфное превращение по своему механизму — кристаллизационный процесс осуществляется путем образо­вания зародышей и последующего их роста.При полиморфном превращении кристаллы (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно не связанных пере­ходов атомов через границу'фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (например, (S), атомы по одиночке или группами присоединяются к решет­ке новой фазы (а), и, как следствие этого, граница зерна а. передвигается в сторону зерна (3, «поедая» исходную фазу. Зародыши новой модифика­ции наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллитов 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 кристал­лические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превра­щение также называют перекристаллизацией. Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводно­сти, электропроводности, магнитных свойств, механических й химических свойств и т. д.

8.Методы исследования строения и свойств сплавов. Успешное развитие машиностроения и связанных с ним отраслей промыш­ленности обязано тому, что в процессе производства конструкционных материа­лов и различных изделий из них широко используются различные методы иссле­дования строения и свойств металлических сплавов и других материалов.Развитие этих методов обусловлено необходимостью получать сведения об эксплуатационной надежности используемых материалов, о причинах поломок и аварий, об остаточном ресурсе вязкостно-прочностных свойств у материала изделия в процессе эксплуатации, а также о путях совершенство­вания строения и свойств конструкционных материалов.К настоящему времени сложилось много различных методов исследова­ния металлов. Все их можно разделить на теоретические и экспериментальные.К теоретическим, относится анализ соответствующих диа­грамм состояний с целью получения сведений о строении и свойствах инте­ресующих нас сплавов не только в равновесном состоянии, но и после их термообработки.Большинство методов исследования являются экспериментальными, ос­нованными на анализе результатов наблюдения строения металла или ре­зультатов его испытания, проводимого по какой-то методике.

Первым возник метод макроскопического исследования путем наблюдения исследуемого изделия простым глазом или с помощью лупы.Этим методом при наличии опыта и соответствующих навыков можно определить качество металла по внешнему виду изделия, оце­нивая состояние его поверхности, наличие явных дефектных мест и других характерных признаков.Наблюдая отполированные и протравленные по специальной методике, можно обнаружить в металле различные внутренние дефекты: поры, раковины, неметаллические включения и особенно включения вред­ных примесей, а также оценить характер строения.Визуально оценивается также качество металла по виду излома специ­ального образца, например разрушенного образца при испытании на удар­ный изгиб, или подобного ему образца, раскрывающего особенности строения и металлургического качества металла в сечении изделия. Такое иссле­дование называется фрактографическим. При фрактографическом исследовании по виду излома судят о вязкости или хрупкости металла. Матово-волокнистый излом свидетельствует о вязкости, а блестяще-кристаллический — о хрупкости.В изломе могут оказаться мелкие или крупные расслоения металла (так называемые шиферность и слоистость), свидетельствующие о его плохом металлургическом качестве и низкой прочности.Оптические микроскопы дают возможность различать в строении ме­талла структурные элементы размером не менее 0,2 мкм (200 нм). Их полез­ное увеличение составляет до 1500—2000 раз. Существуют две разновидно­сти электронных микроскопов: просвечивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ).Особенности атомно-кристаллического строения изучаются с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот вид анализа основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке.Особенности распределения примесей и компонентов в сплавах (в том числе легирующих элементов в зернах стали) позволяет обнаружить рентгеноспек-тральный микроанализ (РСМА). РСМА основан на определении химического со­става микрообластей на специально приготовленном микрошлифе. Разрешающая способность — порядка нескольких микрометров. Этим методом можно успеш­но изучать ликвационные процессы в сплавах, особенно дендритную ликвацию.

При физических методах исследования металл подвергается тепловому, электрическому или магнитному воздействию, по результатам которого судят об особенностях его строения и свойств. В основе этих методов лежит давно извест­ное положение о зависимости физических свойств металла от изменений в его строении при различных воздействиях, в том числе механических и термических. Самыми распространенными являются ме­тоды испытания механических свойств и натурные испытания деталей или готовых изделий при нагружении в эксплуатационных условиях на специально создаваемых стендах (стендовые испытания).

9.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ. Создание металлических сплавов является первым и наиболее ответственным этапом, во время которого в конструкционный материал должны быть заложены важнейшие предпосылки для формирования оптимальной дислокационной структуры и хорошего металлургического качества на всех последующих этапах. Сплавы сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами. Сплав считается металлическим, если его основу составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов. В зависимости от природы сплавляемых компонентов они, взаимодей­ствуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свойствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строения электрон­ных оболочек их атомов, типов и параметров их кристаллических решеток, соот­ношения температур их плавления, их атомных диаметров и других факторов. В зависимости от преобладания тех или иных перечисленных факторов компоненты при сплавлении могут образовывать: смеси своих зерен с пре­небрежимо ничтожной взаимной растворимостью; неограниченно или час­тично растворяться друг в друге; образовывать химические соединения. Смеси состоят из практически чистых зерен обоих компонентов, сохра­няющих присущие им типы кристаллических решеток и прочностные свой­ства. При растворении компонентов друг в друге образуются твердые растворы. Получающийся при этом продукт представляет собой зерна, кристалли­ческая решетка которых построена из атомов обоих компонентов. Если атомы растворимого компонента замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Такие растворы образуют компоненты с аналогичными типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров. Если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр, то образуется твердый раствор внедрения. В этом случае энергоза­траты на образование раствора оказываются меньшими, так как атомы рас­творимого компонента (например, углерода в железе) размещаются в меж­доузлии ячейки кристаллической решетки растворителя, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки. При ограниченной растворимости компонентов за пределами их раство­римости образуются или смеси зерен ограниченных твердых растворов обо­их компонентов друг в друге, или смеси зерен ограниченного раствора и химического соединения ком­понентов.

В твердых растворах замещения преобладающей связью между атомами является металлическая. В растворах внедрения вместе с металлической мо­жет возникать и ковалентная связь. Образующиеся при сплавлении двух компонентов химические соедине­ния имеют строго определенный состав. Они представляют собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих ком­понентов. Ячейки решеток химических соединений имеют сложное строе­ние. Связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами. Существует несколь­ко видов химических соединений, отличающихся спецификой строения и свойств. Все существующие металлические сплавы можно разделить на четыре основных вида (рода): 1) смесь зерен компонентов; 2) неограниченные твердые растворы; 3) с ограниченной растворимостью компонентов; 4) с устойчивым химическим соединением.

10.Для изготовления деталей чистые металлы не применяются т.к. имеют низкую прочность, а сплавы обладают более выс.мех.св-ми. Сплавы состоят из 2 и более компонентов. Сплав состоящий из 2 компонентов называется двойным.

Сплавы можно получить многими способами, но на сегодняшний день широко используется металлургией, способ, когда компоненты расплавляют до жидкого состояния и затем подвергают кристаллизации. В зависимости от хим.состава соединение компонента их природного происхождения в результате кристаллизации могут образовывать механические смеси т.е. когда каждый компонент в процессе кристаллизации строит свою крист.решетку и не впускает ни один постор.атом.

2. твердые растворы –это когда кристаллические решетки одного компонента внедряются и размещаются в атомы второго компонента.

3. хим соединения –это когда обр.совершенно новая кристаллическая решетка сплав резко отличается по своим свойствам от своих компонентов, но обязательное условие должны соединяться между собой m молекула вещества А, с n молекулой вещества В.

Для характеристики изменения строения сплава в зависимости от t º и хим.состава строят диаграммы состояния. К диаграмме будут иметь разные фазы.

Фаза- это однородная часть системы отделенная от других фаз поверхностного раздела, при переходе через которую, хим. Состав или структура, изменяются скачкообразно. Двойные или бинарные сплавы образуются по одному из 4 типов отличающихся по степени растворимости компонентов друг в друге и фазовом составе.

Тип.

T н.к – у всех сплавов различная

Т к.к.- у всех одинаковая.

Свинец, сурьма, цинк, олово и др.

2 –тип. – компоненты неогр. раств. др. в др.

ТВ.раствор→крист.реш А←атом В

ß – крист.реш В←атом в-ва А.

Медь, никель, железо-никель, железо- хром и др.

3тип.- комп-ты раств. др. в др. с ограничением со сниж.t.

DF и EN раствор уменьш.со сниж.t. и уже из образовавшихся крист.твердого раствора вытисняет атомы раств-го компонента, они группируются и образуют вторичнуюкристализацию.

Железо углерод, алюм, медь, и др.

Тип-

Образуются сплавы содержащие новые хим.соед. в чистом виде Аm Bn или в виде структурной сост.другого сплава. Особенность в том, что св-ва хим.соед. близко не похожи на св-ва своих компонентов. Поэтому типу получают новейшие материала для новейшей техники, полупроводниковых мат, сверхпроводниковых, сверхтвердых материалов и др.

13.Фазы деограммы железо-угл.сплавов.мости от химического состояния и t будут образовываться следующие фазы:

Аустенит- А это твердый раствор углерода в чаше железо максимально содержится 2,14 % при t 1147 С, раствор уменьшается до 0,83% при t 727С и распадается на перлит. Аустенит не магнитен имеет высокую пластичность и вязкость.

Феррит – это твердый раствор углерода в альфа железе максимально 0,02 % и уменьшается до 0,002% t 200 С, мягкий, низкой прочности, магнитный, решетка ОЦК.

Цементит – это хим.соединение Fe3C содержит 6,67 % углерода, очень высокой твердости, хрупкости, магнитный и метостабильный, распадается с выделением графита. Различают: а) первичный цементит он образуется при переходе сплава из жидкого состояния в твердое. Б) вторичный цементит образуется при распаде аустенита. В) третичный выделяется из феррита с уменьшением раствора.

Графит свободный углерод мягкий низкой прочности, электропроводный. В чугунах находится в различной форме: чешуйке, пластинке, хлопье, что будет влиять на свойство сплава.

При кристаллизации образуется две смеси фаз:

а) перлит(П)

феррит+цементит

образуется при распаде акстенита при t 727С и содержит углерод 0,83%. Может быть пластинчатый или зернистый, что также влияет на механические свойства сплавов, более прочный зернистый перрит.

Б) ледебурит (Л)

Л= Аустенит+ цементит 1

Образуется при t 1147 С и содержит углерод 4,3 %. Твердый, хрупкий. Ниже t 727 C, будет Л= П+ Ц 1