Основы строения и свойства материалов. Фазовые превращения

Министерство образования и науки РФ
Уральский государственный лесотехнический университет
Институт автомобильного транспорта и технологических систем
кафедра технологии металлов
Илюшин В.В.
Конспект лекций по дисциплине «Материаловедение»
Дидактическая единица
Основы строения и свойства материалов.
Фазовые превращения
Екатеринбург 2014
1
Курс «Материаловедение» включает в себя разделы: 1. Основы строения и свойства материалов. Фазовые превращения; 2. Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов; 3. Конструкционные металлы и
сплавы. 4. Пластмассы, резины, электротехнические материалы.
Материаловедение - наука, изучающая связь между составом, структурой
и свойствами материалов.
Структура (строение) определяет свойства материала, которые в свою
очередь определяют свойства производимых из него деталей. Например, прочность стали, наряду с другими факторами, определяет грузоподъемность железнодорожного моста, мощность, передаваемую валом ...
Лекция 1
СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Существует 3 агрегатных состояния вещества: жидкое, твердое газообразное
В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практические не
взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный
объем. Поэтому, для газа характерно отсутствие собственного объема и формы.
Тепловое движение атомов в жидкости характеризуется малой амплитудой
колебаний вокруг равновесных положений и частыми перескоками из одного
равновесного положения в другое. Для жидкости характерен ближний порядок
в расположении атомов, т.е. постоянство ближних атомов-соседей.
В твердом состоянии вещество может быть аморфным и кристаллическим.
В аморфных веществах атомы расположены хаотично. Для аморфных веществ, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении
атомов.
В аморфных веществах атомы расположены хаотично. Для аморфных веществ характерен ближний порядок в расположении атомов.
В кристаллических веществах атомы совершают колебания с очень малой
амплитудой только около своих равновесных положений. Поэтому атомы правильно чередуются на самых удаленных расстояниях, т.е. в кристаллических
веществах существует дальний порядок в расположении атомов. Такое рас2
положение атомов образует кристаллические решетки (кристаллы).
Расположение атомов в строгой периодической зависимости приводит к образованию кристаллической решетки. Наименьшее структурное образование
решетки это элементарная ячейка.
Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, дающий
представление об атомной структуре всего кристалла.
Трансляцией элементарной ячейки можно полностью воспроизвести
структуру кристалла.
Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами,
где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения
прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. (Рис.1)
Рис .1 Кристаллическая решетка
В кубической решетке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу,
приводит к образованию решеток других типов (рис. 2).
Три основных типа решеток: объемноцентрированная кубическая ОЦК (Feα, Mn, Cr, Va
и др), гранецентрированная кубическая ГЦК (Feγ,
Cu, Co, Au и др.) и ГПУ (Tiα, Mg (магний), Zn и др).
Рис. 2. Элементарные кристаллические решетки:
а) объемноцентрированная кубическая (ОЦК);
б) гранецентрированная кубическая (ГЦК);
в) гексагональная плотноупакованная (ГП)
3
Характеристики кристаллических решеток
Параметр (период) – это расстояние a, b и c между центрами атомов. Период измеряется в ангстремах (1А = 1-8 см) или в нанометрах (1нм = 10-9 см = 10
А). Величина периода ячейки их в металлах порядка 0,1–0,7 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки
необходимо знание величин параметров a, b, c и углов α, β, и γ между ними.
В 1848 г. французский ученый Бравэ выделил 14 типов кристаллических решеток (кубические, тетрагональные, ромбические, моноклинные и т.д.)
Координационное число - это число атомов, находящихся на наименьшем и равном расстоянии от данного атома. В решетке ОЦК координационное число равно 8 (8 ближайших соседей), в решетках ГЦК и ГП их 12.
Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно
составляет 12. Из этого следует, что решетки ГЦК и ГП более плотноупакованы, то есть более компактны чем ОЦК.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство (рис. 2). Плотность кристаллической решетки,
т.е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:
где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся
на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки Q= 52%, в решетке ОЦК атомы занимают Q = 68 % объема, а в ГЦК – Q = 74 %.
Для простой кубической решетки n = (1/8) · 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
Для ОЦК решетки n = (1/8) · 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр
4
решетки а коэффициент компактности Q ОЦК = 68 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Полиморфизм
Полиморфизм – способность твердых веществ существовать в различных
кристаллических модификациях (аллотропических формах), то есть иметь разную
кристаллическую структуру и свойства при одном и том же химическом составе.
П. простых веществ принято называть аллотропией, но понятие П. не относят к некристаллич. аллотропным формам (газообразные О2 и О3).
Яркий пример П – алмаз и графит, кот. состоят из атомов углерода.
Изменение формы, как правило, вызывается изменением температуры или
давления.
Температура полиморфного превращения – это температура превращения одной кристаллической модификации в другую.
Полиморфное превращение часто называют перекристаллизацией.
Низкотемпературная модификация вещества называется α, высокотемпературные β, γ, δ и т.д.
Например, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea. При нагреве выше
911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. В интервале 911–1392 °С устойчиво Feγ.. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в
частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feγ на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно
меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции
английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее
вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива.
Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».
5
Анизотропия
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними.
В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Поэтому плотности атомов в различных направлениях неодинаковой. Это приводит к различию свойств кристалла в разных направлениях.
Анизотропия - неодинаковость свойств в различных направлениях кристалла.
NEW Анизотропия – зависимость свойств кристалла от направления,
являющаяся следствием упорядоченного расположения частиц.
Пример: При измерении в двух разных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–
4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.
Анизотропией обладают одиночные кристаллы и монокристаллы.
Ме и сплавы, затвердевающие в обычных условиях, содержат огромное количество кристаллитов ориентированных в пространстве как угодно, поэтому
такие реальные Ме и сплавы являются поликристаллами и поэтому изотропны.
Если Ме проковать или прокатать, то зерна вытягиваются вдоль площадки
прокатывания и Ме становится анизотропным.
Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны.
Аморфные тела – изотропны, т.к. их атомы расположены хаотично и свойства во всех направлениях одинаковы.
Текстура металла
Если Ме проковать или прокатать, то зерна вытягиваются вдоль площадки
прокатывания и Ме становится анизотропным.
Текстура металла – это преимущественная ориентировка кристаллической решетки зерен в металлическом изделии, возникающая при больших
6
степенях деформации зерен металла и приводящая к анизотропии свойств.
В ряде изделий текстуру металла получают намеренно (трансформаторная
сталь, сталь для глубокой вытяжки, сплавы для постоянных магнитов) в других
ее стараются устранить (листовые сплавы меди и для глубокой вытяжки).
Металлы
Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг
искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему
будут доминировать.
Для металлов и их сплавов характерно кристаллическое строение.
Что такое металл? Еще М.В. Ломоносов определял металлы, как «светлые
тела, которые ковать можно». Для веществ с металлической кристаллической решеткой (металлов) характерна пластичность, высокие электро- и
теплопроводность. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления ρ(Т): у металлов при Т→0 ρ→0, у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков (изоляторов) при Т→0 ρ→∞. Все это обусловлено электронным строением материалов.
Не вдаваясь глубоко в строение атомов (химия) укажем, что для металлов
характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные коллективизированными
(общими) электронами (валентными электронами, электронами проводимости,
электронным газом).
Классификация металлов. Каждый металл отличается строением и
свойствами от другого, но тем не менее по некоторым признакам их можно
объединить в группы. Прежде всего, Ме можно разделить на две большие
группы черные и цветные металлы.
- ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ имеют темно-серый цвет, большую плотность
7
(кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно
высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом (П - это возможность существование металла в нескольких кристаллических формах (аллотропия)). Типичными металлами этой группы являются, например железо Fe,
хром Cr, марганец Mn.
Рис. 3. Классификация металлов
Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:
1) Железные металлы - железо, кобальт, никель (т.н. ферромагнетики) и
близкий к ним по свойствам марганец.
Ферромагнетики – это вещества, которые ниже определенной температуры,
называемой точкой Кюри (Тк), обладают самопроизвольной намагниченностью.
К Ф. относятся переходные элементы - Fe, Со, Ni, некоторые редкоземельные
элементы (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm) и мн. др.
Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по
своим свойствам на высоколегированные стали.
2) Тугоплавкие металлы – это металлы, температура плавления которых
выше, чем у железа (т. е. выше 1539 °С). Применяют как добавки к легирован8
ным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.
3) Урановые металлы — актиноиды, преимущественно применяются в
сплавах для атомной энергетики.
4) Редкоземельные металлы (РЗМ) - лантан, церий, неодим и др. (лантаноиды), и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но различными физическими
(температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других
элементов. В природных
условиях
они встречаются вместе и вследствие
трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый мишметалл, содержащий 40-45 %
Се и 45-50 % всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным
сплавам РЗМ относят ферроцерий (сплав церия и железа с заметными количествами других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.
5) Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии
применяются только в особых случаев (теплоносители в атомных реакторах).
- ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ чаще всего имеют характерную окраску: красную,
желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Типичными металлами этой группы являются например медь Cu, Al, Sn.
Цветные металлы подразделяются на:
1) Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой
плотностью;
2) Благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы
(платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена
и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.
3) Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут,
таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами - галлий, германий.
По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нор9
мальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относят Na, Cu, Mg, Al, Pb
и др. У переходных металлов внутренние р и d оболочки не достроены. Наиболее
характерные представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и им подобные.
10
Лекция 2
ПРОЦЕСС ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
Дефекты строения кристаллических тел
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное
повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.
Дефекты приводят к искажениям кристаллической решетки (рис. 3), это создает сопротивление решетки к последующему смещению атомов, способствует
упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.
Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.
ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ (рис. 4) характеризуются малыми размерами во всех
трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров.
1) Вакансии – это свободные места в узлах кристаллической решетки.
При повышении температуры равновесная концентрация вакансий
увеличивается.
Рис. 4 Точечные дефекты в
кристаллической решетке:
а) вакансия;
б) дислоцированный атом
2) Дислоцированные атомы (атомы внедрения) – это атомы, сместившиеся из
узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки;
Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых
движений атомов.
3) Примесные атомы - атомы других элементов, находящиеся в узлах, или
в междоузлиях кристаллической решетки
Точечные дефекты могут перемещаться в металле путем диффузии.
ДИФФУЗИЯ (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание)
11
— это перенос вещества (атомов, материи) или энергии, обусловленный
беспорядочным тепловым движением атомов, из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Если вакансия встретится с дислоцированным атомом – они взаимно уничтожатся.
ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении.
Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации. Дислокации проявляются как локальное или местное смещение кристаллографических плоскостей.
Дислокации образуются при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений.
Краевая дислокация (рис. 5) - это участок кристаллической решетки с
одной «лишней» атомной полуплоскостью (АВ). Полуплоскость АВ, называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости - линией дислокации.
Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы
превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.
Рис. 5. Краевая дислокация
Рис. 6. Винтовая дислокация
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые
дислокации (рис. 6).
Винтовые дислокации образуются при частичном сдвиге атомных слоев по
плоскости Q. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Линия EF
является линией дислокации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где
сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил.
12
Плотность дислокаций ρ - это суммарная длина дислокаций ∑l, приходящаяся
на единицу объема V кристалла: ρ = ∑l/V. Размерность ρ: см/см3, или см–2. Аналогично плотность дефектов.
Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 106–
103 см–2, после холодной пластической деформации плотность дислокаций увеличивается до 1011–1012 см–2, что соответствует примерно 1 млн. километров
дислокаций в 1 см3 (рис. 7).
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ - имеют малую толщину и значительные
размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разноориентированных участков кристаллической решетки.
Поверхностными дефектами являются границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов.
Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций. Поэтому прочность
мелкозернистого металла выше, чем у крупнозернистого, т.к. чем мельче зерна,
тем больше суммарная площадь их границ, т.е. больше дефектов и, соответственно, тем больше сопротивление пластической деформации.
Дислокационный механизм упругопластической деформации
Если прикладывать нагрузку к бездефектному кристаллу, то он будет деформироваться только упруго, вплоть до полного разрушения. Нагрузка, при
этом, достигнет теоретического (расчетного) предела
При наличии дефектов кристаллической решетки после небольшой упругой
деформации происходит упруго - пластическая деформация. При этом действует
дислокационный механизм пластической (точнее упругопластической) деформации. Ее развитие может завершиться разрушением металла.
Влияние дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 7. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига.
Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного по13
ложения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной
плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для
жесткого смещения одной части кристалла
относительно другой в плоскости сдвига.
При
движении
дислокации
вдоль
на-
правления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей
лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на
поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения.
С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность
увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях
и направлениях. Дислокации воздействуют друг
на друга, мешают друг другу перемешаться,
происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе
Рис. 7. Механизм пластической деформации путем движения дислокаций
пластической деформации «интимной жизнью
дислокаций».
При наличии в металле металлургических дефектов или концентраторов напряжений разрушение наступает раньше.
При упругопластической деформации, которую обычно называют пластической, под действием внешней силы необратимо изменяются форма и размеры
металлической детали (образца).
Во время деформации, зерна металла под действием силы Р расслаиваются
на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга,
14
что при водит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 8.)
В волокнистой структуре между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения, из-за которых пластически деформированный металл анизотропен.
Перед образованием и перемещением пачек
скольжения в зернах происходит лавинообразное
Рис. 8. Схема пластической деформации отдельного зерна металла
передвижения дислокаций по плоскостям скольжения. При этом постоянно возникает огромного количества новых дислокаций.
Под действием приложенного напряжения количество дислокаций возрастает
до некоторой критической величины. В местах скопления дислокаций и сдвигов
пачек скольжения на границах зерен возникают зародыши трещин. Зародыши,
которые раньше других достигают критических размеров, превращаются в быстро распространяющиеся трещины, что и приводит металл к разрушению.
Знание дислокационной природы и особенностей механизма пластической
деформации металла позволяет уяснить важный вопрос о причине более высокой прочности мелкозернистого металла по сравнению с крупнозернистым.
Прочность мелкозернистого металла выше в сравнении с крупнозернистым,
т.к. чем мельче зерна, тем больше суммарная площадь их границ, т.е. дефектов и,
соответственно, тем больше сопротивление пластической деформации..
Влияние дефектов на прочность металлов
Теоретическая и фактическая прочность металлов в действительности
существенно различаются между собой.
Теоретическая прочность кристалла пропорциональна произведению сил
межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Расчетное усилие для
смещения одной части кристалла относительно другой, как правило на 2–3 порядка выше затрачиваемого при пластической деформации металла.
Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фак15
тическая — всего 250 МПа. Теория дислокаций объясняет это противоречие.
Расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что
деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных
плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов
приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость прочности от
плотности дефектов (влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов)
Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»),
прочность которых близка к теоретической.
Левая часть «усов», характеризующая прочность «чистых» кристаллов, показывает что при ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.
С повышением плотности дислокаций (правая часть «усов») их движение
становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического
строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений
второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение
16
температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При
низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:
1) получением металлов с близким к идеальному (бездефектному) строением
кристаллической решетки;
2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
Получение монокристаллов
Монокристаллы дают информацию о свойствах бездефектных металлов.
Для получения монокристалла необходимо создать определенные условия.
Рассмотрим два метода получения монокристаллов - методы Бриджмена и
Чохральского (рис. 10).
Рис. 10. Схемы установок для выращивания
монокристаллов:
а) по методу Брижмена: 1 – вертикальная
трубчатая печь, 2 - расплавленный металл, 3
– тигель с коническим дном, 4 – монокристалл;
б) по методу Чохральского: 1 – вертикальная трубчатая печь, 2- образец из монокристалла; 3 - растущий монокристалл; 4 – жидкий металл, 5 – ванна с расплавом.
Метод Бриджмена: металл, помещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в вертикальной трубчатой печи 1 и расплавляется. Затем тигель с
расплавленным металлом 2 медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения
тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста
монокристалла необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.
17
Метод Чохральского: это вытягивание монокристалла из расплава, Для
этого используется готовая затравка 2 - небольшой образец, вырезанный из монокристалла. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4.
Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна
иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в
растущем монокристалле 3. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость-кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации (~
1-2 мм/мин), удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в
области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется,
наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего
монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расплавом вращается.
Наклеп
После ковки холодного металла заметно возрастают его прочность и твердость, в то же время он становится хрупким. Это явление называется «наклеп».
Наклеп – это как сам процесс изменения внутреннего строения металла
при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т.е. повышение прочности и твердости, уменьшение пластичности,
ударной вязкости, тепло- и электропроводности.
Т.Е. при пластической деформации происходит упрочнение металла.
Основная причина наклепа - это увеличение плотности дислокаций (числа
дефектов) кристаллической решетки.
Холодная пластическая деформация – это деформация, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации.
В машиностроении наклеп используется для поверхностного упрочнения деталей и называется поверхностно-пластической деформацией. Так, поверхности некоторых видов валов, в особенности их опорные шейки, подвергаются
интенсивной холодной обработке давлением твердыми роликами с целью наклепа для уменьшения износа и предотвращения усталостного разрушения.
18
Возврат и рекристаллизация
При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая
ориентация зерен, которая называется текстурой деформации (см выше). Текстура деформации делает металл анизотропным.
При повышении температуры происходит две стадии перехода металла в
более стабильное состояние - возврат и рекристаллизация.
Возврат – все изменения тонкой структуры и свойств, без изменения микроструктуры деформированного металла, т.е. без изменения размеров и формы зерен. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0.3 Тпл).
Возврат подразделяется на отдых и полигонизацию.
Отдых - стадия возврата холоднодеформированного металла, при которой
уменьшается количество точечных дефектов (вакансий), а в ряде металлов (Al,
Fe) начинается переползание дислокаций, уменьшается их плотность, снижаются
остаточные напряжения, электросопротивление, повышается плотность металла.
Полигонизация - процесс формирования субзерен, разделенных малоугловыми границами (рис. 11). Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций. В результате кристалл разделяется на субзерна - полигоны, свободные от дислокаций.
Рис. 11. Схема полигонизации: а, б – наклепанный металл до и после полигонизации
Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых зерен с
меньшим количеством дефектов строения в процессе нагрева деформированного металла. При Р. образуются новые равноосные зерна.
Три вида рекристаллизации:
- первичная – в деформированном металле образуются новые неискажѐнные
кристаллиты, которые растут, поглощая зѐрна, искажѐнные деформацией;
- собирательная – неискаженные или уже рекристализовавшиеся зерна растут за счет других, вследствие чего средняя величина зерна увеличивается (нор19
мальный, обычный рост зерна);
- вторичная – отличается от собирательной тем, что способностью к росту
обладают только немногие из неискаженных зерен.
Рекристаллизация происходит при более высоких температурах, чем возврат. Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с
температурой его плавления уравнением:
Тр = аТпл
где Тпл выражена в К;
а = 0,4 - для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов,
а = 0,6-0,8 - для легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов.
При рекристаллизации прочность уменьшается, а пластичность повышается. Скорость рекристаллизации экспоненциально возрастает с повышением температуры.
20
Лекция 3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Свойство – это количественная характеристика материала.
Все свойства Ме делят на 4-е группы:
1) физические (ρ, tпл., теплопроводность, электропроводность, магн. св-ва);
2) химические (хим. активность, коррозионная стойкость);
3) технологические (обрабатываемость Ме давлением, литейные св-ва,
свариваемость, обрабатываемость резанием);
4) механические (прочность, твердость, пластичность, упругость).
Механические свойства характеризуют сопротивление материалов деформации и разрушению.
Механические свойства - это свойства материалов, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. Под воздействием внешних нагрузок материал может изменять свою форму и (или) размеры. Такое изменение формы или размеров называется деформацией.
Деформация – это изменение размеров и формы металла под действием сил.
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она называется упругой, если остается - пластической.
Упругость – это способность материала восстанавливать первоначальную форму и прежние размеры после прекращения действия сил, вызвавших данное изменение формы.
Если Ме разрушается без видимой пластической деформации – он хрупкий,
ELSE пластический.
В зависимости от условия нагружения механические испытания разделяют на:
I. Статические (прочность, пластичность, твердость, трещиностойкость);
II. Динамические (ударная вязкость, на хладноломкость и критическую
температуру хрупкости);
III. Испытания при переменных нагрузках (выносливость).
- СТАТИЧЕСКИЕ испытания предусматривают медленное и плавное нарастание нагрузки на образец.
21
Испытания на растяжение позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала.
1. Испытания на растяжение. В испытаниях растягивают специальные образцы круглого или прямоугольного сечения (рис.12).
Рис. 12. Схемы цилиндри-ческого образца на различных стадиях растяжения:
а – образец до испытания (l0 и d0 – начальные длина и диаметр) (·) О;
б – образец, растянутый до максимальной нагрузки (lр и dр – длина и диаметр
образца в области равно-мерной деформации) (·)В;
в – образец после разрыва (lк – конечная
длина, dк – минимальный диаметр в
месте разрыва) (·)С
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. Основными элементы типичной испытательной машины: приводной
нагружащий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.
При испытаниях постоянно фиксируется сила сопротивления образца растяжению. В результате испытаний получают диаграмму «нагрузка - удлинение»
(рис. 13).
Рис.13. Схема диаграмм растяжения пластичных материалов:
а) с площадкой текучести; б) без площадки текучести
С диаграммы растяжения считывают характеристики прочности и пластичности.
Прочностные характеристики определяют по напряжениям в соответствующих
22
участках и точках диаграммы (предел прочности, предел текучести и др.).
Прочность материала - это способность сопротивляться пластической деформации и разрушению (характеризуется напряжением).
Напряжение - это отношение нормальной силы к единице площади поперечного сечения изделия, 1 кгс/мм2 = 10 МПа.
На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов (рис.
13, а) можно выделить три характерных участка:
ОА - участок (прямолинейный), соответствующий упругой деформации (закона Гука P=k∙∆l); (·)А соответствует пределу пропорциональности
АА′ - площадка текучести (горизонтальный участок), на этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходит
их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения; (·)А′ соответствует пределу текучести
АВ - криволинейный, соответствующий упругопластической деформации
при возрастании нагрузки; (·)В соответствует пределу прочности
В точке В усилие, с которым образец сопротивляется деформации достигает своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в
наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при
дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.
ВС – участок (также криволинейный), соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки; (·)С соответствует разрушению образца с разделением его на две части.
На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца,
а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.
Основные показатели прочности.
1) Предел текучести (физический) (σт, МПа) — это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
 Т  РТ F0 ,
где РТ — нагрузка, соответствующая площадке текучести;
F0 – площадь поперечного сечения образца.
23
Если на диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 13, б),
то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
2) Условный предел текучести (технический) (σ0,2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной
длины образца l0:
 0 ,2  Р0.2 F0 ,
где Р0,2
0,002l0.
— нагрузка, соответствующая остаточному удлинению σ0,2 =
3) Предел прочности (временное сопротивление) (σв, МПа) — это максимальное напряжение, которое выдерживает образец при испытаниях на разрыв
(отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению к начальной
площади сечения):
 в  Рmax F0
Характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность предшествующую разрушению.
4) Истинное сопротивление разрыву (Sк, МПа) — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного
сечения образца в месте разрыва FK:
_ Пластичность. Основные показатели пластичности.
Пластичность – это способность материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.
Относительное предельное равномерное удлинение (δР,%) — это отношение абсолютного приращения длины образца ∆lр до нагрузки Рmах к его первоначальной длине (см. рис. 2.8, а):
Относительное предельное равномерное сужение (ψР,%) — это отношение абсолютного приращения длины образца ∆lр до нагрузки Рmах к его перво24
начальной длине (см. рис. 2.8, а):
При разрушении образца на две части определяют относительное удлинение и относительное сужение образца.
Относительное удлинение после разрыва (δ, %) — это отношение приращения длины образца после разрыва ∆lк к ее первоначальной длине:
Относительное сужение после разрыва (ψ, %) — это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва ∆FK к начальной
площади поперечного сечения:
2. Твердость – это свойство материала сопротивляться вдавливанию в него
другого тела, которое называется индентор.
Твердость самый распространенный вид механических испытаний, так как
коррелирует со многими свойствами Ме и сплавов, например, чем выше твердость, тем выше износостойкость, ниже обрабатываемость режущим инструментом, ниже пластичность и т.д.
При измерении твердости в поверхность исследуемого материала внедряют
специальный твердый наконечник (индентор) После снятия нагрузки остается
отпечаток, площадь или глубина которого характеризует твердость испытуемого материала.
В общем случае оценивается как H=Р/S.
Твердость сравнительно мягких материалов (цветные сплавы, чугуны) определяется методом Бринелля (индентор - закаленный шарик). Твердость НВ
по таблицам в зависимости от d отпечатка, либо расчетом HB=Р/S
25
а
б
в
Рис. 14. Схемы измерения твердости методом Бринелля (а), Роквелла (б), Виккерса (в)
Твердость твердых материалов (закаленная сталь) определяется методом
Роквелла (индентор в форме конуса – шкалы А и С, либо шарик – шкала В).
Результаты измерения HR__ выводятся на шкалу прибора.
В случаях, когда глубина проникновения индентора в металл не должна
быть большой (азотированная, цементованная сталь, покрытия) применяют метод Виккерса (индентор – алмазная конусная пирамидка). HV по таблицам, либо расчетом HV=1.845×(Р/d2).
Подробнее об измерении твердости на лабораторной работе.
К статическим испытаниям относят также исп. на трещиностойкость
- ДИНАМИЧЕСКИЕ испытания проводят для выявления склонности материала к хрупкому разрушению.
Рис. 15 – Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б - расположение образца на копре; 1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец.
Основной вид динамического испытания – испытание на ударную вязкость
которая оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза.
Работа на ударный излом
где G — вес маятника; h1 — высота подъема маятника до испытаний; h2 —26
высота подъема маятника после испытаний.
Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован
с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя,
сопротивления воздуха и др.).
Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м2, и подсчитывается
как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе S.
Если образец с U -образным надрезом, то к символу добавляется буква U
(КСU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (КСV).
К динамическим испытаниям относя также испытание на хладноломкость и
критическую температуру хрупкости.
- ИСПЫТАНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ
Большинство разрушений деталей и конструкций происходят под воздействием переменных циклических нагрузок которые, как правило, меньше чем
предел прочности.
Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии
циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью.
Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости σR.
Рис. 16 - Пример испытаний на усталость: а - схема нагружения образца (1 - вращающийся
шпиндель; 2 - образец; 3 - нагружающий подшипник); б — циклическое изменение напряжения а в образце
Циклическое нагружение осуществляется подвешенным неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца (рис. 16, а).
Цикл напряжений - это совокупность переменных значений напряжений за
27
один период Т их изменения.
За максимальное напряжение цикла σmах принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение, а за минимальное σmin — наименьшее по алгебраической величине напряжение
Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии Rσ = σmах / σmin. Если
|σmin| = ‖σmах|, то R = -1 и цикл в этом случае называют симметричным (рис. 16,
б). Если |σmin| ≠ ‖σmах|, то цикл называют асимметричным.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости σR максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается σ-1.
Рис. 17 – Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не
имеющих (2) физического предела выносливости
Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях
после 107 циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет
обычно 108 циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному
значению σmах, является физическим пределом выносливости. Но могут быть
случаи, когда и после указанного числа циклов кривая усталости не переходит в
горизонталь, а продолжает снижаться. Тогда N = 107 для сталей и N = 108
для цветных сплавов принимают за базу испытаний и при указанных числах
циклов определяют ограниченный предел выносливости.
28
Лекция 4
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
Чистые Ме имеют незначительные области применения, так как они существенно дороже сплавов и не обладают нужным комплексом свойств (Cu,
Al – эл. провода).
Сплав - термодинамическая система, полученная путем расплавления (спекания) и состоящая из двух или более компонентов. Компонентом может быть
чистый Ме, химическое соединение или твердые растворы. В зависимости от
природы компонентов различаю три типа сплавов: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
I. Твердый раствор – однородное (однофазное) кристаллическое тело, в
котором атомы растворенного компонента размещены в кристаллической решетке атомов растворителя
3 типа твердых растворов:
1) Тв. растворы замещения (рис. 18, б). Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В.
Бывают твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов друг в друге.
При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено
атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше
атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не
будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла А
к металлу В). Это, конечно, возможна при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т. е. оба компонента являются изоморфными.
Рис. 18. Кристаллическая решетка ОЦК:
а) чистый металл;
б) твердый раствор замещения;
в) твердый раствор
внедрения
Условия образования растворов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге:
1) изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
29
2) близость размеров атомных радиусов компонентов, которые не должны
отличаться более чем на 8…15 %;
3) близость компонентов по строению валентных оболочек атомов и подобные физико-химические свойства (одинаковую валентность, чтобы не нарушать структуру электронного газа, близко расположенные компоненты
друг от друга в периодической таблице Д. И. Менделеева) (мельхиор (80 % Cu
+ 20 % Ni) ГЦК).
Если металлы не отвечают перечисленным условиям, и не склонны к образованию химического соединения, то они образуют растворы с ограниченной растворимостью компонентов. При этом растворимость тем меньше, чем больше
различие в размерах атомов и в свойствах компонентов, образующих раствор.
Ограниченная растворимость уменьшается с понижением температуры.
2) Тв. растворы внедрения (рис. 18, в) образуют элементы с существенной
разницей в размере атомных радиусов. При этом, элементы с малым радиусом
внедряется в пустоты (междоузлия) решетки атомов растворителя (т.р.в. C в γFe
(аустенит), C. B, N, H);
Способность к образованию твердых растворов присуща не только чистым
элементам, но и химическим соединениям.
3) Тв. растворы вычитания (т.р. с дефектной крист. решеткой) образуются
на базе хим. соединений при этом часть узлов кристаллической решетки в таких растворах отсутствует. Т. р. выч. образуют на FeO, FeS.
Твердые растворы имеют кристаллические решетки растворителя.
II. Химические соединения (рис. 19) имеют строго определенный состав и
обладают специфической кристаллической решеткой, которая отличается от
решеток металлов образующих это соединение. Связь между атомами в хим.
соединениях сильнее и жестче металлической, поэтому они очень твердые и
хрупкие. АnВm.
Компоненты склонны к образованию химических соединений, если имеют
различную физическую природу и принадлежат к далеко расположенным друг
от друга группам в периодической системы.
30
III. Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды)
Структура металлов и сплавов может состоять из механической смеси кристаллов чистых
металлов, химических соединений и твердых
растворов.
Если такая смесь образуется из жидкого состояния (первичная кристаллизация) ее называРис. 19. Орторомбическа кристаллическая решетка химического
соединения - Fe3C (цементита)
ют эвтектикой.
Если механическая смесь образуется а результате перекристаллизации (вторичная кри-
сталлизация), которая происходит при распаде раствора, она называется эвтектоидом.
Сплавы с эвтектической структурой имеют наименьшую температуру плавления в данной системе и хорошую жидкотекучесть. Пример эвтектроида перлит, эвтектики - ледебурит.
Пи образовании механической смеси все компоненты сохраняют свои
кристаллические решетки.
ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Кристаллизацией называется процесс образования твердых кристаллов из
жидкости или газа.
Движущей силой кристаллизации является понижение свободной энергии
системы.
Д.К.Чернов установил, что механизм кристаллизации заключается в образовании центров кристаллизации и росте кристаллов из образовавшихся центров.
Зарождение центров кристаллизации:
Тепловое движение атомов приводит к тому, что в жидкости постоянно образуются и разрушаются группы атомов с упорядоченным строением. При охлаждении жидкой фазы ниже температуры То, некоторые наиболее крупные из
них могут стать устойчивыми. Они и являются самопроизвольно возникшими
31
зародышами или центрами кристаллизации.
Рост кристаллов:
Кристалл растет за счет присоединения группы атомов на какую-либо
грань. Такая группа атомов называется двумерным зародышем.
Гомогенное и гетерогенное зарождение кристалла.
Образование критического зародыша обеспечивается за счет флуктуации
энергии, и такой процесс называют гомогенным зарождением.
Кристаллизация в присутствии готовых поверхностей раздела называется гетерогенным зарождением.
Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
Наличие готовых поверхностей раздела облегчает процесс зарождения
кристаллов. Реальные металлы всегда содержат большое количество примесей, мельчайшие частицы нерастворимых фаз, окислов, что приводит к сильному ускорению образования зародышей и кристаллизации в целом.
Стенки форм, в которую отливают жидкий металл, также служат готовой поверхностью раздела.
Наличие теплоотвода через стенки формы способствует увеличению
степени переохлаждения.
Ряд механических свойств металлов - прочность, пластичность, выносливость, ударная вязкость тем выше, чем меньше размер зерен.
Поэтому при изготовлении отливок, особенно если они не подвергаются
дальнейшей обработке давлением, применяют модифицирование - введение в
расплав специальных добавок, которые, не изменяя химического состава, создают дополнительные центры кристаллизации, тем самым измельчают
структуру.
Форма и размер кристаллов
В идеальном случае при очень малых степенях переохлаждения переохлаждения (Разность
между теоретической и действительной температурами DТ=То-Т называется
степенью переохлаждения, при наличии которой может начаться зарождение центров кристаллизации)
вырастает кристалл равновесной формы.
В реальных металлах и сплавах форма и размеры кристаллов зависят от:
32
кристаллического строения, скорости роста, направленности теплоотвода.
Обычно кристаллы зарождаются правильной геометрической формы, соответствующей их кристаллическому строению. Если скорость роста кристалла одинакова во всех направлениях, кристаллы растут, сохраняя правильную форму, до тех пор, пока его окружает со всех сторон жидкая фаза.
В условиях значительного переохлаждения элементы огранки кристалла
будут в неодинаковом положении по отношению питания из жидкой фазы.
Лучше всего питание подводится к вершинам, затем к ребрам, и, наконец, к
граням многогранника, что вызывает неравномерный рост кристалла, приводя
к образованию скелетных, игольчатых, спиральных и других форм.
Если скорость роста кристаллов в одном направлении больше, образуются
кристаллы древовидной формы, или дендриты (рисунок 19, а).
Рис. 19. Схема роста
дендрита (а) и строения
слитка (б): 1- зона мелких кристаллов, 2-зона
столбчатых кристаллов,
3- зона равноосных кристаллов
а)
б)
Сначала кристалл приобретает вытянутую форму в направлении большей
скорости роста, затем начинает расти в боковых направлениях, причем не по
всей поверхности, а на отдельных участках. В результате от основной оси
первого порядка, соответствующей направлению наибольшей скорости роста,
ответвляются оси второго порядка и т.д. Дендриты растут до тех пор, пока
не соприкоснутся друг с другом. После этого кристаллизуются междендритные пространства, и дендриты превращаются в кристаллы.
В случае ускоренного охлаждения сплава при кристаллизации диффузионные процессы не успевают завершиться, поэтому центральная часть
33
каждого зерна обогащена более тугоплавким компонентом, а периферийная – легкоплавким такое явление называется дендритная ликвация. Еѐ
предотвращают за счет медленного охлаждения сплава, обеспечивающего
равновесную кристаллизацию.
Слитки, получаемые в промышленности, состоят из трех зон (рис. 19, б).
Первая зона – наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из мелких
дезориентированных кристаллов. При первом соприкосновении расплавленного
металла с холодными стенками металлической изложницы возникает большое
переохлаждение, при этом зерна металла – мелкие.
Вторая зона – зона столбчатых кристаллов 2. После образования корки 1
выделяется скрытая теплота кристаллизации, тепло отводится наружу перпендикулярно стенкам изложницы – кристаллы этой зоны вытягиваются в
направлении теплоотвода.
Третья зона – зона равноосных кристаллов 3. Эта зона формируется в
конце затвердевания в центральной части слитка, здесь теплоотвод во всех
направлениях одинаков, а количества тепла много, переохлаждение мало. Поэтому получаются крупные кристаллы.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина (темная часть)
из-за того, что жидкий металл имеет больший объем, чем твердый.
34
лекция 5
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ
Диаграмма состояния – представляет собой графическое изображение
равновесного состояния сплава данной системы в зависимости от температуры и химического состава. То есть, диаграмма строится в координатах концентрация – температура
Компонентом называют химические элементы или соединения, образующие сплав.
Система – это совокупность фаз в твердом, жидком, или газообразном состоянии находящихся в известных условиях (Т, р) и занимающих общий объем.
Фаза - это химически и физически однородная часть вещества (или системы), отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через
которую состав, структура или свойства изменяются скачкообразно.
Микроструктура сплава формируется в процессах кристаллизации расплава, фазовых превращений и структурных изменений в твердом состоянии,
происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке.
Диаграмма состояния дает сведения о характере фазовых превращений и
их последовательности при нагревании и охлаждении сплава.
Следует помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается во
времени и в неравновесных условиях (при ускоренном охлаждении, при больших
степенях пластической деформации и т.д.).
Диаграмма состояния I рода
Диаграмма описывает сплавы, компоненты которых в твердом состоянии
нерастворимы, образуют механические смеси своих практически чистых зерен
и не образуют химического соединения (рис. 20). По диаграмме состояния
первого типа кристаллизуются сплавы Рb-Sb; Zn-Sn (рис. 21) и др.
35
Рис. 20. Диаграмма компонентов нерастворимых в твердом состоянии
Рис. 21. Диаграмма состояния Sn-Zn
Линия АСВ - линия ликвидус (жидкий) – линия температуры начала кристаллизации сплава при охлаждении и завершении плавления при нагреве (весь
сплав жидкий).
Обратите внимание, что температура начала процесса кристаллизации
для сплавов с различным соотношением компонентов (разным хим. составом)
– различна, т.е. химический состав существенно влияет на температуру как
полного расплавления, так и начала кристаллизации любого сплава.
Линия DCE - линия солидус (твердый) - линия температуры, при которой
завершается кристаллизация сплава при охлаждении (весь сплав становится
твердым) и начинается плавление сплава при нагреве.
Сплав двух компонентов, который плавится и кристаллизуется при минимальной постоянной температуре, называется эвтектическим сплавом или эвтектикой. Концентрация компонентов в эвтектике определяется положением
точки С.
Эвтектика (легкоплавкий) – однородная механическая смесь кристаллов,
одновременно кристаллизовавшихся из жидкости. В микроскоп эвтектика наблюдается как однородная структурная составляющая.
Для сплавов системы Sn-Zn эвтектическим является сплав содержащий 8%
Zn. Эвтектика образуется при температуре 198,5 °С.
В общем случае (совместив рис. 20 и 21) сплавы состава I называются доэвтектическими, сплав II — эвтектическим и сплавы состава III — заэвтектическими.
36
Сплавы не эвтектектического состава плавятся и кристаллизуются в
интервале температур.
На линии температур АС (при охлаждении) начинают выделяться кристаллы
компонента А (олова - Sn), а на линии СВ - кристаллы компонента В (цинка - Zn).
Так как из жидкости выделяются кристаллы одного из компонентов, соответственно, она им обедняется и хим. состав (соотношение компонентов) в
жидкости изменяется согласно линии АСВ.
При температуре соответствующей линии DCE из жидкости концентрации
С одновременно выделяются кристаллы А (Sn) и В (Zn) образуя механическую
смесь, т.е. протекает эвтектическое превращение.
С помощью диаграммы состояния можно проследить фазовые превращения которые происходят в сплаве любого химического состава при изменении
температуры:
I сплав: L(Ж)→t1-t2→ А(Sn) + L(Ж)С→ A(Sn) + эвтектика (А(Sn)+В(Zn)
II сплав: L(Ж)→t2(С 198)→ эвтектика (А(Sn)+В(Zn)
II сплав: L(Ж)→t1-t2→ В(Zn) + L(Ж)С→ В(Zn) + эвтектика (А(Sn)+В(Zn)
Таким образом (рис. 12), структура доэвтектического сплава состоит из
кристаллов А(Sn) и эвтектика (А(Sn)+В(Zn)); структура заэвтектического
сплава состоит из кристаллов В(Zn) и эвтектики (А(Sn)+В(Zn)), хотя и в том
и в другом случае в сплаве две фазы: А(Pb) и В(Sb).
Рис. 16. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк: а) доэвтектический сплав,
олово+эвтектика (Sn+Zn); эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn); б) заэвтектический сплав
цинк+эвтектика (Sn+Zn)
Диаграмма состояния позволяет определить:
1) фазовый состав любого сплава при любой температуре - при интересующей температуре (320 0С) проводится горизонтальная линия mn и точки ее пресечения m и n с границами двухфазной области показывает фазовый состав
37
2) температуру начала и конца кристаллизации, а также начала и конца
плавления сплава интересующего состава;
3) химический состав фаз любого сплава при любой заданной температуре;
при интересующей температуре (320 0С) проводится горизонтальная линия mn и
точки ее пресечения m и n с границами двухфазной области показывает химический
состав каждой фазы, для этого надо спроектировать точку пересечения на ось составов и прочитать сколько % каждого компонента в данной фазе.
4) соотношение фаз в сплаве при любой температуре по правилу отрезков
Ж(%)=kn/mn·100 %; Zn(%)=mk/mn·100%
Диаграмма состояния сплавов из двух компонентов полностью растворимых друг в друге в жидком состоянии и ограничено растворимых в твердом
Рис. 14. Фазовая диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограничено растворимы в твердом
состоянии и образуют эвтектику
Рис. 15. Структурная диаграмма состояния сплавов,
компоненты которых ограничено растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику
А΄еВ΄ – линия ликвидус, начала кристаллизации при охлаждении.
А΄аbB΄ – линия солидус – ниже ее весь сплав твердый;
Фазы системы: Ж – жидкий расплав;
кристаллы α –твердый раствор компонента B в А;
кристаллы β –твердый раствор компонента А в B;
линия А′аа1 - линия, показывает изменение растворимости растворимости В
в А при изменении температуры.
линия В′bb1 - линия, показывает изменение растворимости растворимости А
в В при изменении температуры.
38
Рис. 16. Диаграмма состояния сплавов Cu-Ag (компонентs полностью растворимых друг в
друге в жидком состоянии и ограничено растворимых в твердом)
Ниже линии аb находится область двухфазных сплавов. В ней структура доэвтектических сплавов состоит из первичных зерен α-фазы, равномерно распределенных в эвтектике Э(α+β), и зерен вторичной βII – фазы, выделившейся из твердой фазы α, при снижении температуры.
При температуре tе в системе А-В (рис. 14, 15) протекает эвтектическое превращение
Же → крα + крβ
Эвтектика при этом представляет собой смесь мелкозернистых фаз α и β.
Это превращение происходит во всех сплавах, расположенных по составу
между точками а и b.
Горизонталь аb и точку е на этой горизонтали называют эвтектическими, а
смесь кристаллов (α + β), которые выделяется из жидкости при эвтектической
кристаллизации, – эвтектикой.
Кривые аа1 и bb1, показывающие как изменяется растворимость одного
компонента в другом в твердом состоянии при понижении температур от эвтектической до комнатной, называют сольвусами a и b – твердых растворов.
Сплавы, состав которых находится в интервалах а1с и db1, не претерпевают
39
эвтектического превращения.
Фазовые превращения в сплаве состава Х1.
ЖХ1→t1-t2→α1΄-2+ Ж1-2΄ →t2-t3→αX1→↓t3→α3-а1 + β3΄-b1
При охлаждении сплава состава Х1 в интервале температур t1 – t2 идет первичная кристаллизация  – твердого раствора.
При охлаждении от температуры t2 до температуры t3 в нем не протекают никакие фазовые превращения.
Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса аа1,  – раствор состава точки 3 станет насыщенным компонентом В.
При дальнейшем понижении температуры растворимость компонента В в
твердом растворе на основе компонента А снижается. Т. е. компонент В будет
выталкиваться из кристаллической решетки твердого раствора на базе комп. А.
Поэтому при дальнейшем понижении температуры от t3 до комнатной из  –
кристаллов, изменяющих свой состав по кривой 3а1, выделяются вторичные кристаллы  – фазы.
Состав вторичных кристаллы  – фазы также будет изменяться по кривой 3’ b1.
При комнатной температуре кристаллы - фазы имеют состав а1.и находятся
в равновесии с кристаллами  состава b1.
Доля обеих фаз по правилу рычага измеряется отношением отрезков.
x1b1/a1b1 и a1x1/a1b1
Под микроскопом в структуре сплава Х1 можно увидеть кристаллы двух видов:
первичные кристаллы α – раствора (основа сплава) и вторичные β –кристаллы. Вторичные выделения образуются по границам и внутри зерен исходной фазы α (рис.).
Рис. 17. Схемы структуры сплава Х1 с
вторичными выделениями пластинчатой формы (а),
в виде тонких прослоек (б)
или компактных частиц (в)
Для сплава Х1 понятие ―структурная составляющая‖ и ―фаза‖ совпадают, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно  или  – фаза.
Аналогичные, но зеркальные превращения претерпевают сплавы состава
db1, в которых является твердый раствор на основе компонента В.
40
У сплавав состава Аа1 и Вb1 такое же как рассмотренное ранее, но «не
происходит» насыщения твердых растворов и структура этих сплавов состоит
из кристаллов твердых растворов α или β.
Структура до – и заэвтектических сплавов сложнее. В ней помимо первичных α – или β – кристаллов, выделяется эвтектика, а при охлаждении в
твердом состоянии в интервале температур от tе до комнатной их α - и β кристаллов выделяются вторичные кристаллы α - и β - кристаллы.
В заэвтектическом сплаве Х2 происходят следующие превращения:
ЖХ2→t4-tе→β4΄-b+ Ж4-е → tе→ βb + Э(αа + βb) →↓te→ βb-b1 + Э(αа-α1 + βb-b1)
финал упрощен
При охлаждении сплава состава Х2 в интервале температур t4 – tе идет первичная кристаллизация  – твердого раствора.
При температуре te – из оставшейся жидкости Же выделяется эвтектика –
смесь кристаллов (крαа + крβb). По окончании кристаллизации сплав Х2 состоит
из первичных кристаллов βb, эвтектики Э(αа + βb).
При эвтектической температуре сплав Х2 состоит из кристаллов предельно насыщенных αа - и βb - растворов, а с понижением температуры взаимная
растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается.
Поэтому при охлаждении до комнатной температуры из β –кристаллов
(первичных и эвтектических) будут выделяться вторичные α –кристаллы, а из
эвтектических α –кристаллов – соответственно вторичные β – кристаллы.
Возможные варианты микроструктуры сплава Х2.
Рис. 18 Схемы структур заэвтектического сплава Х2 с эвтектикой и первичными
кристаллами в форме многогранников (а) и дендритов (б)
Первичные  – кристаллы могут иметь четкую огранку (рис. 6а) или
дендритную форму (рис. 18, б). Вокруг первичных α – кристаллов видна вторая
структурная составляющая – эвтектика (α + ), имеющая пластинчатое или
другое строение. Внутри первичных кристаллов  в небольшом количестве находится третья структурная составляющая – вторичные α –кристаллы.
Выделения вторичных кристаллов в эвтектике незаметны, так как сама
41
эвтектика достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов.
Структура других заэвтектических сплавов аналогична. Различие состоит лишь в соотношении объемов в структурных составляющих.
Ликвация
При некоторых условиях кристаллизации и охлаждения отливки из сплавов могут получаться неоднородными. Неоднородность по химическому составу называется ликвацией.
Например: Ликвация сплавов системы РЬ - Sb проявляется в том, что
при очень медленном охлаждении доэвтектических сплавов кристаллы свинца
оседают на дно, так как они тяжелее расплава, а в заэвтектических сплавах
выделяющиеся при кристаллизации кристаллы сурьмы, напротив, будут
всплывать. Такая ликвация называется ликвацией по удельному весу,
Неоднородность образующегося кристалла по химическому составу называется внутрикристаллитной ликвацией,
Неоднородность кристаллов по химическому составу называется межкристаллитной ликвацией.
Самостоятельно проработать:
1) Диаграмму состояния сплавов, с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, например Cu-Ni;
2) Диаграмму состояния компонентов образующих устойчивое химическое
соединение, например Мg-Са;
42
лекция 6
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ Fe- Fe3C
Фазовый состав и структура сталей и чугунов в равновесном состоянии (медленно охлажденном) в зависимости от содержания углерода и температуры определяется диаграммой состояния железо – цементит.
Диаграмма Fe- Fe3C позволяет обосновать термическую обработку сталей, состояние сплавов при различных температурах. По химическому составу можно определить структурный и фазовый состав сплава и, наоборот, по
отношению фазовых и структурных составляющих – их хим. состав.
Твердые фазы системы Fe-Fe3C (в сталях и чугунах):
Феррит – твердый раствор внедрения С в αFe. Область существования 0GPQ
(рис. 19). имеет кубическую решетку (ОЦК), содержит до 0,02 % С при температуре 727 0С (точка Р). С понижением температуры от 727 0С растворимость углерода уменьшается согласно линии PQ и при 20 0С составляет 0,004 %. Феррит мягок и пластичен: НВ 80, δ =30 %. До температуры 768 0С магнитен (точка Кюри).
В феррите могут растворяться другие элементы, образуя легированный феррит.
Аустенит – твердый раствор внедрения С в γFe, имеет кубическую решетку
(ГЦК), содержит до 2,14% С при температуре 1147 (точка Е). С понижением
температуры до 727 0С растворимость углерода в аустените уменьшается согласно линии ЕS до 0,8 % Твердость аустенита около 170 НВ. Немагнитен.
В аустените могут растворяться другие элементы, образуя легированный аустенит.
В чистых железоуглеродистых сплавах А устойчив только при температуре
выше 727 0С, т.е. при комнатной температуре он не существует.
Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид - Fe3С),
содержит 6,67 % С. Ц. хрупок и тверд: 800 НВ, имеет сложную орторомбическую решетку.
Цементит, образующийся в процессе первичной кристаллизации из расплава, называется первичным Ц1. Цементит выделившийся при охлаждении
из аустенита называется вторичным - Ц2; из феррита – третичным – Ц3.
43
Рис. 19. Диаграмма железо - цементит
При охлаждении жидкого расплава Fе – С, содержащего от 2.14 до 6.67 % С,
при температуре 1147 0С происходит кристаллизация с образованием эвтектики однородной механической смесь кристаллов А и Ц, которая называется ледебурит.
Жс4,3% → Л(А2.14% + Ц6.67%).
Ледебурит является основной структурной составляющих белых чугунов.
Охлаждение А приводит к тому, что при температуры 727 0С, происходит его распад в твердом состоянии с образованием механической смеси Ф и
Ц называемой перлитом.
Перлит является структурной составляющей большинства сталей и чугунов.
Т.к. аустенит при температуре ниже 727 0С, превращается в перлит, то ледебурит чугунов при комнатной температуре представляет собой однородную механическую смесь перлита и цементита.
Рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплавах Fe – C:
сплав I:
кратко: АI →t1-t2→ А + Ф →t2-t3→ Ф →↓t3→ Ф + Ц3≈0
полно: АI→t1-t2→А1-2΄+Ф1΄-2→t2-t3→ФI→↓t3→ Ф 3-Q+ Ц3≈0
структура рис. 20, а
44
сплав II
кратко: АII →t4-t5→ А + Ф →↓t5→ П(Ф+Ц) + Ф
структура рис. 20, б-е
t4-t5
↓t5
≈ 0
полно: АII → → А4-S + Ф4΄-P → → П((ФP-Q+ Ц3 ) +Ц2) + ФP-Q+ Ц3≈0
сплав III
кратко: АIII →↓ts→ П(Ф+Ц)
структура рис. 21
полно: АIII →↓ts→ П((ФP-Q+ Ц3≈)0+Ц2)
сплав IV
кратко: АIV →t6-t7→ А + Ц2 →↓t7→ П(Ф+Ц) + Ц2
структура рис. 22
полно: АIV → t6-t7→ А6-S + Ц2→↓t7→ П((ФP-Q+ Ц3≈0)+Ц2) + Ц2
сплав V
кратко: ЖV →t8-t9→ Ж + А →t9-t10→ Л(А+Ц) + А→↓t10→ Л(П+Ц) + П рис. 23, а
полно: ЖV →t8-t9→Ж8-С+А8΄-Е→t9-t10→ Л((АЕ–S+Ц2)+Ц)+(АЕ–S+Ц2)→↓t10
→ Л((П((ФP-Q+ Ц3≈)0+Ц2)+Ц2)+Ц) + П((ФP-Q+ Ц3≈)0+Ц2)
сплав VI
кратко: ЖVI →tc-t11→ Л(А+Ц)→↓t11→ Л(П+Ц)
структура рис. 23, б
полно: ЖVI →tc-t11→ Л((АЕ–S+Ц2)+Ц)→↓t11→ Л((П((ФP-Q+ Ц3≈)0+Ц2)+Ц)
сплав VII
кратко: ЖVII→t12-t13→Ж+Ц1→t13-t14→Л(А+Ц)+Ц1→↓t14→Л(П+Ц)+Ц1
рис. 23, в
полно: ЖVII →t12-t13→Ж12-С+Ц1→t13-t14→Л((АЕ–S+Ц2)+Ц)+Ц1→↓t14
→ Л((П((ФP-Q+ Ц3≈)0+Ц2)+Ц)+Ц1
П. чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита (рис. 20, ж).
После спец. обработки перлит может иметь зернистое строение (рис. 20, и).
Твердость пластинчатого П. (240 НВ), зернистого (160 НВ).
Стали
45
Рис. 20. Микроструктура доэвтектоидной стали - феррит и перлит (С< 0,8%)
(х450): а) 0,006%С; б) 0,01%С; в) 0,22%С; г) 0,3%С; д) 0,4%С; е) 0,55%С
Рис. 21. Микроструктура эвтектоидной стали - перлита (0,8 % С) (х450):
ж) пластинчатого и) зернистого
Рис. 22. Микроструктура заэвтектоидной стали - перлит и цементит вторичный
(0,8-2.14 % С) (х450): з) 1,3%С
Белые чугуны
Рис. 23. Микроструктура белого чугуна (х450):
а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический
46