И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ»

«Материаловедение, технология КОнструкционных материалов» ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ»

Дисциплина «Материаловедение, технология конструкционных материалов», связано общими задачами с дисциплинами «Промышленная экология», ««Механика», «Гидравлика и теплотехника» и вместе с ними дает понятие об основных процессах, происходящих в металле в процессе его эксплуатации в условиях агрессивной среды (водной, газо-воздушной, при высоких и низких температурах) и о том, какие материалы следует использовать для того, чтобы работа машин и механизмов, эксплуатация строительных конструкций и трубопроводов происходила безаварийно, а следовательно - экологически безопасно.

1. Строение кристаллической решетки (4 часа)

Параметры, описывающие строение и размер кристаллической решетки, влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов, ионные, молекулярные, металлические, ковалентные кристаллы; фазовый состав сплавов, твердые растворы и промежуточные фазы; дефекты кристаллов: точечные, линейные, поверхностные, объемные.

Механические свойства материалов: твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость.

Формирование структуры литых материалов (2часа)

самопроизвольная кристаллизация, несамопроизвольная кристаллизация, форма кристаллов и строение слитков, монокристаллы, аморфные металлы, нанокристаллические материалы.

Влияние химического состава на равновесную структуру сплавов

(6 часов). Постороение диаграммы состояния сплавов. Диаграммы состояния сплавов, с неограниченной растворимостью компонентов, с эвтектическим, перитектическим и эвтектоидным превращением. Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов.

4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов (2часа) Пластическая деформация, возврат и рекристаллизация.

Диффузия в металлах и сплавах; общие закономерности термической обработки; диффузионные и бездиффузионные превращения при термической обработке сталей: перлитное, промежуточное, мартенситное; виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, старение; закаливаемость и прокаливаемость сталей.

6. Химико-термическая обработка сплавов (самостоятельно)

Общие закономерности, диффузионное насыщение сталей азотом и углеродом, ионная химико-термическая обработка сплавов, диффузионное насыщение деталей металлами и неметаллами

Общие требования, критерии оценки, методы повышения конструкционной прочности, классификация конструкционных материалов, влияние углерода на свойства сталей.

Характеристики износа и виды изнашивания, материалы с высокой твердостью поверхности.

9. Материалы, устойчивые к действию температур и рабочей среды (2 часа) Коррозионно-стойкие материалы, жаростойкие материалы, хладостойкие материалы, жаропрочные материалы

Углеродистые стали, низколегированные стали, порошковые твердые сплавы, сверхтвердые материалы

Штамповочные стали – стали для инструментальной обработки металлов давлением (1 час)

Тема 2. Свойства материалов. Физические свойства материалов – тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность, электросопротивление.

Тема 3. Формирование структуры литых материалов

монокристаллы, аморфные металлы, нанокристаллические материалы.

Тема 6. Химико-термическая обработка сплавов. Общие закономерности, диффузионное насыщение сталей азотом и углеродом, ионная химико-термическая обработка сплавов, диффузионное насыщение деталей металлами и неметаллами.

Тема 9. Материалы, устойчивые к действию температур и рабочей среды (2 часа) Коррозионно-стойкие материалы. Понятие о коррозии химической и электрохимической. Виды коррозионностойких сталей.

Модуль 1. Строение и свойства материалов (вопросы 1-46).

Модуль 2. Физические и механические свойства материалов Формирование структуры литых материалов (вопросы 47-97).

Модуль 3. Влияние химического состава на равновесную структуру сплавов. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов. Термическая обработка сплавов (вопросы 98-163).

Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. Ред. Б.Н.Арзамасова, Г. Г. Мухина – 3-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. -648с.

Основы металловедения: учебник для техникумов / Ю.М.Лахтин. М.: Металлургия. 1988. -320 с.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник. 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004 г. – 407 с.

Ю. Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко, А. И. Герасименко Материаловедение для автомехаников. 2-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2003. -480 с.

Ю. Г. Гуревич Загадка булатного узора / Гуревич Ю.Г. М.: изд-во «Знание», 1985. 192с.

Курс лекций по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

В кристалле частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются закономерно по разным направлениям (рис 1.2.1).

Если в кристалле провести три ортогональных направления x, y, z, то расстояния между частицами, расположенным по этим направлениям в общем случае неодинаковы и равны а, в и с соответственно.

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образуют кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести частиц, из которых построен кристалл.

Для описания элементарной ячейки кристалла решетки используют 6 величин: 3 отрезка, равные расстояниям а, в, с до ближайших частиц по осям координат, и 3 угла α, β, γ между этими отрезками.

Соотношения между этими величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяются на семь систем (табл. 1.1).

Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, в, с. Их называют периодами решетки.

В большинстве случаев решетки имеют сложное строение, т.к. частицы находятся не только в узлах, но и на гранях или в центре решетки (рис. 1.2.2). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но каждая частица в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам. Таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке – 8, следовательно, на ячейку приходится одна частица.

В сложной пространственной решетке на одну ячейку приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку приходятся две частицы: одна - от вершины и другая - центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрированной ячейке имеются четыре частицы: одна - от вершины и три - от шести центрированных плоскостей, так как частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.

Система, период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Число ближайших равноудаленных частиц определяет координационное число К (рис. 1.2.3).Например, в решетке объемно – центрированного куба (ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно 8 (К8). Для простой кубической решетки координационное число будет 6 (К6), для гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) – 12 (К12).

Отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Для простой кубической решетки его значение равно 0.52, для ОЦК – 0.68 и для ГЦК – 0.47.

Оставшееся пространство образуют поры, которые подразделяют на октаэдрические и тетраэдрические. На рис.1.2.4. центры этих пор показаны маленькими точками на ГЦК решетке. Радиус октаэдрической поры составляет 0.41, а тетраэдрической поры – лишь 0.22 радиуса частицы.

Для многих металлов характерна плотная упаковка частиц. Если частицы изобразить в виде шаров, то получатся структуры, показанные на рис. 1.2.5.

Шестигранная призма на рис. 1.2.5а изображает гексагональную плотноупакованную решетку (ГП) – на первый слой шаров (А) в лунки накладывают второй слой (В). Если третий слой шаров укладывается над первым слоем – получается ГП-решетка. Если третий слой не укладывается над первым, а только четвертый повторяет первый слой шаров, то получается гранецентрическая кубическая решетка (ГЦК) (рис 1.2.5в).

Если частицы обладают сферической симметрией, то отношение периодов с/а = 1,633 (как в ГП кристаллической решетке, где а=в≠с, α=β= 90^о, γ= 120^о)

При отклонении частиц от сферической симметрии возможно образование гексагональных структур с соотношением периодов, отличающихся от 1.633, а также ОЦК – структур (рис.1.2.5.б).

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающее в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве. Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояние между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.

Анизотропия присуща многим свойствам кристаллов. Наиболее сильно она проявляется в кристаллах со структурами, обладающими малой симметрией (табл. 1.2).

Кристаллы, в которых преобладает молекулярная связь, возникающая между любыми частицами (ионами, атомами, молекулами) называют молекулярными. Для многих кристаллов она мала, по сравнению с другими, более прочными связями.

В кристаллах инертных газов эта связь единственная, и она определяет структуру и свойства кристаллов, которые образуются при очень низких температурах.

Атомы инертных газов имеют полностью достроенные энергетические уровни, поэтому при сближении атомов обмен электронами невозможен. Возникновение сил притяжения между атомами объясняют их мгновенной поляризацией при сближении.

Аналогичные связи действуют между молекулами с насыщенными связями в кристаллах двухатомных газов H₂, N₂, Cl₂ (при очень низких температурах), в кристаллах I₂, H₂O, CO₂, CH₄ и др. органических веществ – при нормальных условиях.

Силы Ван-дер-Ваальса (межмолекулярные взаимодействия) не имеют направленного характера, т.к. мгновенный диполь образуется с каждым из соседних атомов. В результате атомы, стремясь увеличить число соседей в кристаллической решетке, укладываются наиболее компактным образом. Типичной решеткой для инертных газов является – гранецентрическая кубическая (ГЦК) (рис. 1.2.2 б).

Энергия связи сил Ван-дер-Ваальса невелика, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления и легко возгоняются.

Молекулярные кристаллы – диэлектрики, плохо проводящие электрический ток.

Это те кристаллы, в которых преобладает ковалентный тип связи.

Их образуют элементы IV, V, VI групп, подгруппы В(II) Периодической системы элементов (ПСЭ): углерод, кремний, германий, сурьма, висмут и др.

При взаимодействии атомы обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами, достраивая, т.о., валентную зону. Каждая связь образуется парой электронов, движущихся по замкнутым орбитам между двумя атомами. Число атомов n, с которыми происходит обобществление электронов, зависит от валентности элемента и может быть определено по формуле n = 8 – N где N – валентность элемента. Например, для углерода это число n = 4, т.е. атом C имеет 4 валентных электрона, посредством которых он образует четыре направленные связи и вступает в обменное взаимодействие с четырьмя соседними атомами.

В природе углерод встречается в 2-х кристаллических формах (рис 1.3.2). Обе кристаллические решетки характеризуют наличие у каждого атома четырех соседей. В решетке алмаза все четыре соседа находятся на одинаковом расстоянии от центрального атома. В сложной гексагональной плотноупакованной (ГП) решетке графита один из четырех соседей находится на значительном удалении. Между тремя атомами в плоскости основания решетки действуют ковалентные силы, а между основаниями – слабые силы Ван-дер-Ваальса. При деформации графита в первую очередь разрушаются связи между слоями, чем и объясняется низкая твердость графита. Коэффициент линейного расширения велик в направлении действия сил Ван-дер-Ваальса (см. табл. 1.2).

Ковалентная связь характеризуется направленностью. Вследствие этого атомы в ковалентных кристаллах укладываются некомпактно и образуют кристаллические структуры с небольшим координационным числом. Так, ГЦК решетка алмаза имеет координационное число 4 (К=4).

Вследствие большой энергии связи ковалентные кристаллы характеризуются высокими температурами плавления.

Образование заполненных валентных зон при такой связи превращает ковалентные кристаллы в полупроводники, и даже диэлектрики. Алмаз – диэлектрик. Хорошая электрическая проводимость графита объясняется заменой одной из четырех ковалентных связей металлической, в результате чего появляются свободные носители электрического тока. Температурный коэффициент электрического сопротивления у ковалентных кристаллов имеет отрицательное значение, т.е. при нагреве электросопротивление снижается.

К ковалентным кристаллам относятся многие сложные кристаллические вещества, состоящие из разнородных атомов – карбид кремния, нитрид алюминия и др.

Это кристаллы, в которых преобладает металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А(I) и I – III подгрупп В(II). В металлическом кристалле при взаимодействии с элементами других групп атомы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы.

Валентные электроны свободно перемещаются по общей зоне со свободными подуровнями. Т. о., валентные электроны нельзя считать потерянными или приобретенными. Они обобществлены атомами в объеме всего кристалла в отличие от ковалентных кристаллов, в которых такое обобществление ограничено одной парой атомов.

Металлическая связь ненаправленная. Следствием этого является высокое координационное число и большая компактность кристаллических структур металлов (ГЦК и ГП).

ГП – решетку со сферической симметрией (с/а = 1.633) имеют Mg и Co.

ГП – решетку с отклонениями от сферической симметрии (в связи с наличием доли ковалентной связи) имеют Zn и Cd (с/а >1.633), Be, Ti_α, Zr_α (c/а <1.633).

ОЦК – решетку имеют Fe_α, Cr, Mo, W, V и др. Такая структура не обладает большой плотностью упаковки.

Среди кристаллов распространено явление полиморфизма – способности иметь разные типы кристаллических структур в твердом состоянии при различных температурах (или давлениях). Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию называют α, а высокотемпературные – β,γ,δ, и т.д.

Стабильность модификаций при определенных температуре и давлении определяется значением термодинамического потенциала (G).

Более стабильной при данной температуре будет модификация, имеющая меньшее значение термодинамического потенциала G, что может быть достигнуто либо вследствие уменьшения энтальпии Н, либо путем увеличения энтропии S.

В металлических кристаллах плотноупакованные структуры ГЦК (К12) и ГП (К12) (рис.1.2.2 б, в) вследствие меньшей энтальпии устойчивы при низких температурах (до Т₁). Более «рыхлая» структура ОЦК-решетки (К8) (рис.1.2.2 а) имеет большую энтропию, а поэтому устойчива при повышенных температурах. Этим объясняется стабильность ОЦК – решетки при высоких температурах во многих металлах Ti, Fe, U. Стабильность ОЦК – решетки в железе при низких температурах связывают с возрастанием электронной составляющей энтропии.

Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов (табл. 1.3). Быстрое охлаждение может сохранить высокотемпературные модификации в течение длительного времени при 20-25ºC, т.к. низкая диффузионная подвижность атомов при таких температурах не способна вызвать перестройку решетки.

При нагреве до 2000ºC и давлении ~ 1010 Па углерод в форме графита перекристаллизуется в алмаз. При очень больших давлениях в Fе обнаружена низкотемпературная модификация с ГП-решеткой.

Рост давления может приводить к превращению при низких температурах менее плотноупакованных модификаций в плотноупакованные структуры. У германия, кремния и олова при больших давлениях обнаружено превращение ковалентных кристаллов с решеткой алмаза (К4) в металлические (К8) (ТОЦ).

Энергия металлической связи несколько меньше, чем ковалентной, поэтому металлы в большинстве случаев по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие температуры плавления, модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения.

Кристаллическая структура полиморфных металлов

ТОЦ* – тетрагональная объемно-центрированная.

Для большинства случаев с увеличением энергии связи растут температуры плавления, модуль упругости Е, энергия активации самодиффузии Q_диф, а коэффициент линейного расширения α, наоборот, уменьшается (табл.1.4). Закономерность обнаружена экспериментально и имеет ряд исключений: аномально завышен модуль упругости у бериллия, что позволяет использовать его сплавы как материалы повышенной жесткости; титан и цирконий имеют заниженные значения не только модуля упругости, но и энергии активации самодиффузии (последнее объясняет их пониженную жаропрочность).

Энергия межатомной связи и свойства металлов

Таким образом, вследствие ненаправленности металлической связи и образования плотноупакованных структур металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные. Хорошая электрическая проводимость обеспечивается наличием у них свободных подуровней в валентной энергетической зоне. Температурный коэффициент электрического сопротивления у металлических кристаллов имеет положительное значение, т.е. электрическое сопротивление при нагреве растет.

В сложных кристаллах, состоящих из элементов различной валентности, возможно образование ионного типа связи. Такие кристаллы называются ионными.

В узлах ионного кристалла располагаются ионы, т.к. между элементами происходит перераспределение ē: электроположительный элемент теряет валентные электроны, а электроотрицательный – приобретает их. Например, кристалл FeO, решетка которого состоит из отрицательно-заряженных ионов O^2- и положительно-заряженных ионов Fe²⁺.

В решетке кристалла ионы укладываются как шары разных диаметров. Радиус неметалла больше радиуса металлического иона и поэтому металлические ионы заполняют поры в кристаллической решетке, образованной ионами неметалла.

В ионных кристаллах координационное число определяет число ионов противоположного знака, которые окружают данный ион.

Приведенные ниже значения отношений радиуса металла (R_м) к радиусу неметалла (R_нм)и соответствующие им координационные числа вытекают из геометрии упаковки шаров разных диаметров:

Для FeO К равно 6, т.к. указанное соотношение равно 0.54 (рис. 1.3.3). Ионы кислорода образуют ГЦК–решетку. Ионы железа занимают в ней поры. Каждый ион железа окружен шестью ионами кислорода и наоборот, каждый ион кислорода окружен шестью ионами Fe. В связи с этим в ионных кристаллах нельзя выделить пару ионов, которые можно было бы считать молекулой. При испарении такой кристалл распадается на молекулы.

При нагревании соотношение радиусов может изменяться, т.к. у неметалла он возрастает интенсивнее, чем у металла. Это приводит к изменению типа кристаллической структуры, т.е к полиморфизму.

Энергия связи ионного кристалла по своему значению близка к энергии связи ковалентного кристалла. И превышает энергию связи металлического, а тем более, молекулярного кристалла. Поэтому ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и модуль упругости и низкие коэффициенты сжимаемости и линейного расширения. Заполнение энергетических зон вследствие перераспределения делает ионные кристаллы полупроводниками или диэлектриками.

Рис. 1.3.2.Кристаллическая решетка алмаза (а) и графита (б)

1. Какие силы действуют на частицы в кристаллической решетке?

2. Почему ряд материалов проводит электрический ток, а ряд – является полупроводниками и диэлектриками?

3. Как подразделяются кристаллы по характеру связи?

4. Как устроены молекулярные кристаллы, какие свойства обнаруживают?

5. Назовите примеры молекулярных кристаллов

6. Почему молекулярные кристаллы – диэлектрики?

7. Как устроены ковалентные кристаллы, какие свойства обнаруживают?

9. Почему ковалентные кристаллы – диэлектрики?

10. Как устроены металлические кристаллы, какие свойства обнаруживают?

11. Назовите примеры металлических кристаллов

12. Почему металлические кристаллы – проводники?

13. Как устроены ионные кристаллы, какие свойства обнаруживают?

Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента B размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А, замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения (рис.2.1.1). Количество замещенных атомов, также как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: α,β,γ и т.д. или А(В) где А– растворитель, В – растворенный элемент.

Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы отличаются не более чем на 15%. Это условие называется размерный фактор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически (с некоторой долей вероятности). Вокруг атома растворенного вещества возникает местные искажения пространственной решетки, которые приводят к изменению свойство и среднего периода решетки.

Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя вызывают уменьшение среднего периода решетки, а с большим его увеличением.

Образование твердых растворов всегда сопровождается:

— увеличением электрического сопротивления;

— уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления;

— большей твердостью и прочностью, чем чистые металлы.

Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.

Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решетки. Например, в сплавах Cu-Au, Cu-Ni, Cr-Si. В полиморфных металлах неограниченная растворимость встречается в пределах одной модификации пространственной решетки: Fe_α дает неограниченный ряд твердых растворов с Cr (ОЦК-решетки), а Fe_γ – с Ni (ГЦК решетки).

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. вместо статистического распределения разных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в определенном порядке. Такие растворы называются упорядоченными (образуется «сверхструктура»).

Переход в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или интервале температур. Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова (q_к). Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температуре области выше q_к.

Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с неограниченной растворимостью в твердом состоянии и возникают при концентрациях твердого раствора, соответствующих простым атомным соотношением АВ, АВ₃. Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают: электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротивления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава, уменьшается магнитная проницаемость (у ферромагнитных сплавов).

Твердые растворы внедрения возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – H, N, C, B.

Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения является размерный фактор.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГП- и ГЦК- решетки, в которых имеются поры с радиусом 0.41R (R – радиус атома растворителя). В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, т.к. размер пор не превосходит 0.29R.

Примером твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Fe_γ и Fe_α. Fe_γ растворяет до 2.14% (мас.) углерода (ГЦК-решетка.), а Fe_α c ОЦК-решеткой почти совсем его не растворяет (0.02%).

Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, твердость и прочность, значительно понижаются пластичность и вязкость.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения и путем внедрения.

Так, при сплавлении Fe c Mn и C получится твердый раствор, в котором Mn растворяется путем замещения, а углерод – путем внедрения.

Следует подчеркнуть, что все твердые растворы – это кристаллы, наиболее близкие по свойствам к растворителю, т.к. сохраняют его кристаллическую решетку и тип связи.

Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов.

Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток, составляющих их элементов, называются промежуточной фазой.

В промежуточных фазах может быть любой тип связи, который и определяет свойства кристаллов.

Расположение атомов (или ионов) в решетке может быть неупорядоченным, либо полностью или частично упорядоченным.

Промежуточные фазы имеют переменный состав – либо в связи с наличием небольших межузельных «лишних» атомов (ионов) либо с недостатком атомов в узлах решетки.

Промежуточные фазы (П.Ф.) обозначают так же, как и твердые растворы, буквами греческого алфавита. Допускается обозначения химическими формулами, который отражают состав (стехиометрический), при котором кристаллы не имеют дефектов межузельных атомов и вакансий.

В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты (рис.3.3.3), которые подразделяют на:

— точечные (размеры близки к межатомному расстоянию);

— линейные (длина на несколько порядков больше ширины);

— поверхностные (толщина мала, а ширина и длина больше ее на несколько порядков);

— объемные (поры, трещины, имеют значительные размеры по всем трем направлениям).

Дефекты сохраняют подвижность, способны перемещаться в кристаллической решетке и при сближении взаимодействуют между собой. Подвижность дефектов контролируется диффузией (в большинстве случаев). Передвижение дислокаций (линейных дефектов) не связано с массопереносом, дислокации подвижны и при низких температурах, когда диффузия уже не играет никакой роли.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.3.1.1).

Вакансия - пустой узел кристаллической решетки.

Межузельный атом - атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучение нейтронами.

С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрацией уничтожается на свободных поверхностях кристалла, границах зерен и других дефектов решетки. Места, где исчезают вакансии, называется стоками вакансий.

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют.

Важнейшие виды линейных несовершенств - краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишний» полуплоскости в решетке (рис. 3.2.1). Винтовая дислокация образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q (рис. 3.2.2). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Вокруг дислокаций решетка упруга искажена.

Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Вектор, который нужен для замыкания контура в кристалле (внутри которого расположена дислокация) называется вектором Бюргерса (рис.3.2.3).

Плотность дислокаций – суммарная величина всех линий дислокаций в единице объема, выраженная в см на см³ (см^-2). В полупроводниковых металлах она равна

10⁴- 10⁵ см^-2, у отожженных металлов – 10⁶- 10⁸ см^-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10¹¹–10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность дислокаций выше 10¹² см^-2 быстро ведет к разрушению металла.

Дислокации значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.

Вдоль дислокаций выше скорость диффузии. Они служат местом концентрации примесных атомов, особенно примесей внедрения, т. к. это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы вокруг дислокаций образуют зону повышенной концентрации - атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые г

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: