Шпаргалка по "Материаловедению"

  1)Диаграмма состояния сплавов 1 рода, образующих механические смеси из чистых компонентов.Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы (или ничтожно мало растворимы) и не образуют химических реакций. На этой диаграмме линия MBN – линия ликвидус, линия ДСЕ – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава x в интервале между линиями ликвидус и солидус от точки 1 до 2 происходит образование кристаллов компонента В. При достижении температуры t₁, весь оставшийся жидкий сплав превращается в эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов А и В с химическим составом, соответствующим точке С. Точка С называется эвтектической точкой. При температуре t₁ и концентрации, соответствующей точке С, до завершения кристаллизации система будет нонвариантной (С = 2 – 3 + 1 = 0).

2)Диаграмма состояния  сплавов с неограниченной растворимостью  компонентов в твердом состоянии (2 рода)

Линия M1N – линия ликвидус, линия M2N – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава в интервале температур между линиями ликвидус и солидус (от точки 1 до точки 2) происходит выпадение кристаллов твердого раствора a разного химического состава, изменяющегося от точки С до точки 2. При медленном охлаждении концентрация всех зерен твердого раствора выравнивается за счет диффузии между кристаллами. При охлаждении сплава в интервале кристаллизации от t₁ до t₂ система будет моновариантной (С = 2 – 2 + 1 = 1).

3)Диаграмма состояния  сплавов с ограниченной растворимостью  компонентов в твердом состоянии  (3 рода)

Линия MEN – линия ликвидус, линия МДECN – линя солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка Д – максимальная растворимость компонентов В в компоненте А. Точка С – максимальная растворимость компонента А в компоненте В. Точка Е – эвтектическая точка. При охлаждении жидкого сплава этой концентрации до температуры t₁ происходит одновременная кристаллизация твердых растворов a и b с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов a и b. Согласно правилу фаз при температуре t₁ до полного затвердевания эвтектического сплава система будет нонвариантной (С = 2 – 3 + 1 = 0).                                                                                                            При медленном охлаждении твердого раствора a от температуры t₁ до комнатной в связи с уменьшением растворимости из него будут выделяться субмикроскопические кристаллы твердого раствора b (вторичные).

4)Диаграмма состояния  сплавов с перитектическим превращением (4 рода),Линия MCN – линия ликвидус, линия MPDN – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка Р – перитектическая точка. Линия СРД (температура t₁) – перитектическая линия. При охлаждении жидкого сплава с концентрацией F, соответствующей точке Р, ранее выпавшие кристаллы твердого раствора b полностью реагируют с жидкостью и превращаются в кристаллы a-твердого раствора.                                               При температуре t₁ система также будет нонвариантной до завершения превращения (С = 2 – 3 + 1 = 0).                                                                                                                                                                                  В интервале концентраций между точками F и Е образуется структура из твердых растворов a и b, а между точками F и А структура сплава будет состоять из одной фазы a-твердого раствора.

5)Диаграмма состояния  с устойчивыми химическими соединениями (5 рода)

Линии МЕ₁СЕ₂N – линия ликвидус, линия mnop – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. Точка С – температура плавления химического соединения Аm Bn. Точки Е₁ и Е₂ – эвтектические точки.                                                                      Состав эвтектики Е₁ будет А+АmBn, эвтектики Е₂ – B+AmBn. При кристаллизации эвтектических сплавов система будет нонвариантной в обоих случаях (С = 2 – 3 + 1 = 0). Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением может быть представлена и в других видах, где наряду с чистыми компонентами и одним химическим соединением могут быть и твердые растворы (ограниченные и неограниченные) и другие химические соединения.

В любой точке диаграммы  равновесия, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить концентрацию и количество обеих  фаз. Этому служит правило отрезков или правило рычага.                                                                                                                                       Первое положение правило отрезков: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз.                                                                          

  Правило отрезков применимо для всех двухфазных областей любых диаграмм состояний.

8. Формирование  структуры и свойств при кристаллизации. Модифицирование.

Кристаллизация - переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое).                            

Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура – время

Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.                                 В жидкости атомы располагаются хаотично, но в определенных микрообъемах существуют группировки атомов с правильным (упорядоченным) расположением. Эти группировки неустойчивы, они могут исчезнуть и образоваться в другом месте. При определенных условиях эти группировки являются центрами кристаллизации. Таким образом, для жидкости характерен ближний порядок расположения атомов. Для твердого состояния металлов характерен и ближний и дальний порядок расположения атомов.                                    Начало кристаллизации – линия ликвидус, конец кристаллизации – линия солидус. Термическим анализом определяется температура кристаллизации металлов и сплавов. Плавление – это процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре, выше равновесной (при перегреве). Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом. 
Поскольку жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, при кристаллизации выделяется теплота.                                                                                                          Любая система обладает полной энергией H. Эта энергия учитывает энергию всех видов движения частиц системы. 
H = G +TS, G – свободная энергия или термодинамический потенциал, то есть энергия, которая может быть выделена из системы в виде работы, S – величина энтропии, T – температура.  
G=H-TS                                                                                                                                                        Согласно второму закону термодинамики, любая система стремится к минимальному запасу свободной энергии. Кристаллизация тоже подчиняется этому закону. 
Металл будет затвердевать, если G_т.в станет меньше, чем G_ж. Металл будет расплавляться, если G_ж меньше, чем G_т.в. Смотрим относительно равновесной температуры (Т_р )-  граница раздела твёрдой и жидкой фаз.

Температура кристаллизации меньше равновесной температуры Т_кр< Т_р                                  Температура плавления больше равновесной температуры Т_пл>Т_р

1)Т_р-Т_кр =ΔТ- степень переохлаждения. Чем больше степень переохлаждения, тем интенсивнее идет процесс кристаллизации.

2) Т_пл-Т_р =ΔТ- степень перегрева. Чем больше степень перегрева, тем интенсивнее идет процесс плавления.

Первичная кристаллизация - переход металла из жидкого состояния в твердое.

Процесс кристаллизации состоит  из двух стадий одновременно идущих

1)зарождение центра кристаллизации  ЗЦК

2) рост кристаллов из  этих центрах РК.                      

Эти же процессы могут происходить  и в твердом теле, такая кристаллизация называется вторичной.

Влияние степени переохлаждения на структуру и свойства деформированного металла отражено на графике, который  называется кривые Таммана.(смотрите в лекции)

Для получения мелкого  зерна, а более высокой прочности  проводится технологический процесс, который называется модифицированием.                                                                            

   Есть два  механизма модифицирования:

1. В расплав перед разливкой добавляются вещества, которые являются искусственными центрами кристаллизации. В этом случае СЗЦК больше СРК
2. В расплав перед разливкой добавляются поверхностно – активные вещества, которые обволакивают кристалл и препятствует его росту.

При очень быстром охлаждении из жидкого состояния (Для металлов ν>10¹⁰ ·10¹¹ к/сек.

Для сплавов ν>10⁵ ·10⁶ к/сек.

кристаллическая решетка  не успевает образоваться и в твердом  состоянии в металлах атомы располагаются  хаотически, как у аморфного тела.

Такие материалы  называются аморфные металлические  сплавы (АМС)(металлические стекла). АМС обладают уникальными свойствами. Эти свойства резко отличаются от свойств кристаллических материалов. Это может быть высокая износостойкость, коррозионная стойкость, другие свойства.

Проблема: трудно получить высокую  скорость охлаждения.

Модифицирование —управление структурой и свойствами литейного чугуна за счет минимизации переохлаждения и увеличения количества центров кристаллизации графита во время охлаждения отливки.                                                                                                 Модификатор — это материал, вводимый в жидкий чугун непосредственно перед его разливкой, который обеспечивает наличие в расплаве подходящих фаз для образования графита во время охлаждения. Высокопрочный чугун получают - перед разливкой добавляют магний – поверхностно-активное вещество. Чугун с вермикулярным графитом получают – в расплав добавляют магний и редко- земельные металлы.                                                                        Цель модифицирования состоит в том, чтобы обеспечить образование достаточного количества центров кристаллизации углерода, чтобы он выкристаллизовался в виде графита, а не карбида железа (цементита). Это достигается исключением возможности переохлаждения ниже температур, когда формируются карбидные структуры. Сам по себе механизм кристаллизации чугуна склонен к формированию отбеленных структур, а в большинстве случаев это нежелательно. Структуры с отбелом препятствуют механической обработке, провоцируют несоответствие техническим требованиям, увеличивая производственные затраты и брак.                                                                                                     Структура чугуна определяет механические свойства отливки и ее склонность к механической обработке. Модифицирование литейных чугунов широко применяется для получения структур пригодных к механической обработке.

9. Диаграмма состояния железо-углерод.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод— графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.                                                                                                                                                                                                    Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита.                                                                                        В системе железо — цементит существуют следующие фазы: жидкость, феррит, аустенит, цементит.                                                                                                                                                          1.Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.                                                                                      2. Феррит — твёрдый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.                                                                                                                                           Феррит имеет максимальную растворимость углерода -  0,02 % при температуре 727 °C (точка P).  РQ – линия предельной расворимости.                                                                                                                                                      При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)                                         Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.                                                    3. 3.Аустенит — твёрдый раствор внедрения углерода в железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). ES – линия предельной растворимости(ограниченной)                                                                                                                      4)Цементит (Fe₃C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий.                                                                                                                                 В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:                                                                              — цементит первичный (выделяется из жидкости),                                                                      

— цементит вторичный (выделяется из аустенита),                                                                        — цементит третичный

— цементит эвтектический  и                                                                                                      — эвтектоидный цементит.                                                                                                                            Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен.                                                                                                              Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.                                                         Линии нон – вариантных или изотермических превращений. Изотермические – с выделением или поглощением теплоты. Такими превращениями являются:                                           1)Эвтектические превращения – из одной фазы образуются две.                         2)Эвтектоидные превращения -  из одной фазы твердого раствора образуются две фазы.   3)Перитектические превращения – из двух фаз, причем одна из них жидкая, образуется одна фаза: или твердый раствор или химическое соединение.                                                          5) Ледебурит - механическая смесь. Ж_4,3         А_2,14 +Ц_6,67 (А_2,14 +Ц_46,67 –ледебурит) ЕСF – эвтектическая линия. Ледебурит – обозначение эвтектики. Цементит вторичный выделяется из аустенита в следствии уменьшения растворимости углерода от 2,14 до 0,8%                               6)Перлит - механическая смесь. Ф_0,8         Ф_0,02 +Ц_6,67 (Ф_0,8+Ц_46,67 –перлит). PSK – эвтектоидная линия.  Цементит третичный выделяется из феррита вследствие уменьшения растворимости углерода от 0,02 до 0,006.                                                                                                              Линия ликвидус – АВСД.                                                                                                                 HYB – перитектическая линия Ж_0,51+Ф_0,1             А_0,16                                                                                                  В точке N-происходит полиморфное превращение( меняется решетка ОЦК       ГЦК                                                          Почему аустенит при t=727 распадается на феррито – цементитную смесь при медленном охлаждении?                                                                                                                             1) У сплавов при t=727 происходит полиморфное превращение ГЦК        ОЦК                                        2) В связи с этим уменьшается растворимость углерода с 0,8 до 0,2(в 40 раз)                                          3) Углерод становится лишним и выделяется в виде цементита.                                               Кривая охлаждения(если будет спрашивать) Если С = 2 (система бивариантная), то в рассматриваемой области и температура, и концентрация могут изменяться независимо друг от друга. Это значит, что никаких превращений в сплаве не происходит (например, в жидком расплаве из двух компонентов С = 2 – 1 + 1 = 2).                                                                                                                                              Если С = 1 (система моновариантная), то это значит, что в данной области при изменении одного параметра (например, температуры сплава) одновременно по определенному закону изменяется и второй (концентрация). На кривой охлаждения будет наблюдаться перегиб (например, сплав из двух компонентов в области первичной кристаллизации будет иметь С = 2–2+1=1).                                                                                                                                                      Если С = 0 (система нонвариантная), то это значит, что оба параметра (температура и концентрация) должны оставаться постоянными до окончания данного превращения. На кривой охлаждения будет наблюдаться горизонтальная площадка при температуре этого превращения (например, сплав из 2-х компонентов при эвтектических концентрациях и температуре будет иметь С = 2–3+1=0).