Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2836.1kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2979.19kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2143.51kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 785.31kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 793.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 901.29kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2591.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 814.76kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2075.7kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 1147.22kb.
Вариант 24.
1. Чем химические соединения отличаются от твёрдых растворов?
2. При изучении микроструктуры сплава установлено, что он состоит из 50% феррита и 50% перлита. Сколько % углерода в сплаве?
3. Что такое коррозия и как её классифицируют?
4. Какие требования предъявляются к клеящим материалам?
Вариант 25.
1. Что такое диаграмма состояния? Приведите основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем.
2. В чём отличие серого чугуна от ковкого и высокопрочного с точки зрения структуры?
3. Как подразделяются по теплостойкости легированные инструментальные стали? Приведите примеры.
4. Какие основные виды резины вы знаете?
Вариант 26.
1. Чем отжиг І рода отличается от отжига ІІ рода? Покажите это графически.
2. Что такое наклёп?
3. Где применяются твёрдые сплавы, их преимущества и недостатки?
4. Какими свойствами обладают резиновые изделия?
Вариант 27.
1. Что такое возврат и чем он отличается от рекристаллизации?
2. Когда происходит образование мартенсита?
3. Дайте полную характеристику (название, состав, свойства, применение) сплавам марок ЛЦ40Мц3Ж и ЛАН59-3-2.
4. Охарактеризуйте физические свойства древесины.
Вариант 28.
1. Какие превращения происходят в закалённой стали при отпуске?
2. Каковы особенности маркировки шарикоподшипниковых сталей?
3. Перечислите и охарактеризуйте материалы, необходимые для метал-лургического производства.
4. Что такое пиломатериалы и как они классифицируются?
Вариант 29.
1. По каким признакам классифицируют стали? Приведите схему класси-фикации.
2. Как влияет перегрев на превращение перлита в аустенит?
3. Опишите строение доменной печи.
4. Что такое столярные плиты?
Вариант 30.
1. Опишите способы закалки и механизм действия закалочной среды.
2. Какова марка литейной латуни состава: 80% меди, 14% цинка, 3% кремния, 3% свинца?
3. Что такое штамповка металлов?
4. Где применяются ситаллы?
Вариант 31.
1. Что такое чугуны? По каким признакам они классифицируются?
2. Чем САС отличаются от САП?
3. Где применяются материалы высокой твёрдости? Приведите примеры таких материалов.
4. Как изготавливается фанера, по какому признаку маркируется?
Вариант 32.
1. Какие виды термомеханической обработки стали вы знаете? Покажите их на графике.
2. Чем отличается полиморфное превращение от магнитного?
3. Каковы причины возникновения литейных дефектов?
4. Что такое ситаллы?
Вариант 33.
1. Какие существуют способы химико-термической обработки стали?
2. Как маркируются быстрорежущие стали?
3. Что необходимо для производства чугуна?
4. Каковы достоинства органических стёкол перед неорганическими?
Вариант 34.
1. Какое влияние оказывают углерод и постоянные примеси на свойства сталей?
2. Какова марка литейной бронзы состава: 79% меди, 16% олова, 5% свинца?
3. Опишите строение слитка кипящей стали.
4. Что такое неорганическое стекло?
Вариант 35.
1. Опишите технологию отжига І рода для сталей.
2. Какие сплавы алюминия упрочняются нагартовкой?
3. Как классифицируются и маркируются твёрдые сплавы?
4. Чем органические стёкла отличаются от неорганических?
Вариант 36.
1. Опишите технологию отжига ІІ рода для сталей.
2. В чём отличие первичного цементита от вторичного?
3. Какие стали применяются для изготовления измерительного инстру-мента и штампов? Какие требования к ним предъявляются?
4. Что такое влажность древесины? Какие существуют способы её определения?
Вариант 37.
1. Какие сплавы относятся к медноникелевым, как они классифицируются и маркируются?
2. В чём отличие радиального разреза древесины от тангенциального?
3. Опишите строение слитка спокойной стали.
4. Что такое металлические стёкла? Какими свойствами они обладают?
Вариант 38.
1. Дайте подробную характеристику коррозионностойким сталям.
2. Сколько степеней свободы у двухкомпонентной системы, если она состоит из одной фазы?
3. Каковы основные продукты доменного производства и области их при-менения?
4. Что такое композиционные материалы? Как их классифицируют?
Вариант 39.
1. Что такое порошковая металлургия, её основные достоинства?
2. При изучении микроструктуры сплава установлено, что он состоит из 90% цементита и 10% ледебурита. Сколько % углерода в составе сплава?
3. На какие две группы подразделяются титановые сплавы и как они маркируются?
4. Каковы достоинства полиэтилена? Где он применяется?
Вариант 40.
1. Дайте характеристику наиболее известным сплавам на основе никеля.
2. Что такое внутрикристаллитная ликвация?
3. Какие стали называют автоматными и как их маркируют?
4. Опишите технологические свойства древесины.
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОЛННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
3.1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник для вузов / Под ред. Г.П.Фетисова, - М : Высшая школа, 2001.- 638 с.
- Колесник П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте [Текст]: учебник для вузов /П.А.Колесник, В.С.Кланица. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 320 с.
- Алаи С.И., Григорьев П.М., Ростовцев А.Н. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для педвузов / Под ред. А.Н.Ростовцева.- М.: Просвещение, 1986.-304 с.
3.2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- Чумаченко Ю.Т., Чумаченко Г.В., Герасименко А.И. Материаловедение для автомехаников [Текст]: учебное пособие для учащихся профлицеев.- Ростов н/Д.: Феникс, 2002.- 480 с.
- Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для автослесарей [Текст]: учебник.- М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К˚», 2007. – 412 с.
- Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для машиностроительных специальностей вузов /Под общ. Ред. А.М.Дальского.– 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.
- Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение [Текст]: учебник для ву- зов. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
- Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия [Текст]: учебник для вузов – 4-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2002. – 743 с.
- Марочник сталей и сплавов [Текст]: справочник / Под общ. Ред. В.Г.Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
- Конструкционные материалы [Текст]: справочник. / Под общ. Ред. Б.Н.Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.
- Барташевич А.А., Бахар Л.М. Материаловедение [Текст]: учебное пособие для проф-техучилищ. – Мн.: УП «Технопринт», 2002. – 246 с.
3.3. ПОСОБИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
- Файзуллина Н.Р.,Вдовин В.В. Руководство к практикуму по технологии конструкционных материалов [Текст]: учебное пособие.- Бийск: НИЦ БиГПИ,1990. – 40 с.
- Файзуллина Н.Р. Лабораторный практикум по технологии конструкционных Атериалов для студентов заочного отделения [Текст]: учебное пособие.- Бийск: НИЦ БиГПИ, 1995. – 48 с.
- Файзуллина Н.Р. Стали [Текст]: методическое пособие.- Бийск: НИЦ БиГПИ 1998. – 20 с.
- Файзуллина Н.Р. Цветные металлы и их сплавы [Текст]: методическое пособие.- Бийск: НИЦ БПГУ, 2001. – 28 с.
- Технология конструкционных материалов [Текст]: сборник тестов./Составитель Н.Р.Файзуллина.- Бийск: НИЦ БПГУ , 2003. – 25 с.
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРЕДМЕТ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ».
Материаловедение – это наука, изучающая закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и внешних воздействий.
Технология конструкционных материалов (ТКМ) – комплексная наука, представляющая собой совокупность технологических знаний о составе, свойствах, строении, производстве и способах обработки материалов, используемых в промышленности, машиностроении, строительстве, быту и т.п.
Цель курса – дать основы материаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических свойств материалов и направленного воздействия на них; расширить научный кругозор студентов. Учитывая то, что данная дисциплина читается для студентов специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство», упор делается на материалы, используемые в автомобилестроении, а также даются представления о горюче-смазочных материалах и эксплуатационных жидкостях.
Задача курса - научить студентов ориентироваться в многообразии современных материалов, знать их классификацию и маркировку, а так же основные тенденции в создании материалов будущего на основе достижений научно – технического прогресса.
Процесс изучения дисциплины базируется на знании основ химии, физики и математики в объеме школьной программы.
Данный курс является основой для сознательного и глубокого изучения студентами таких дисциплин, как «Детали машин», «Резание материалов. Станки и инструменты», «Автомобиль», для совершенствования практических навыков во время технологической практики.
Курс «Материаловедение и ТКМ» включает следующие разделы:
- Металловедение.
- Порошковые материалы.
- Композиционные материалы.
- Основы металлургического производства.
- Основы технологии обработки металлов давлением, литейного производства и сварки.
- Неметаллические материалы, используемые в автомобилестроении.
- Горюче-смазочные материалы и эксплуатационные жидкости.
2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем бронзовым и железным веками.
Изготовив первые орудия труда из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры, научился обжигать глину. Следующим этапом освоения материалов стало плавление и литьё меди, затем открытие оловянной бронзы и железа. Совершенствовалась технология переплавки металлических руд, прокаливанием и ковкой полуфабрикатов стали получать кузнечное железо.
Новую эпоху в развитии материалов открыло использование энергии падающей воды для привода машин. Появилась возможность нагревать металл до температур, превышающих температуру плавления железа, очищать металлы от примесей.
Применение каменного угля вместо древесного при плавлении руд и открытие коксования каменного угля способствовало ускоренному развитию металлургии. Возрастание спроса на машины привело к возникновению машиностроения как отрасли промышленности. В то время мануфактурным производством была освоена лишь небольшая группа материалов, что ограничивало возможности развития машин.
Превращение ручных мануфактур в фабричную систему использования машин привело к изменению уровня техники и технологии материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в сталь.
Рост промышленности требовал больших объёмов материалов. В связи с этим возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Начиная с XIX века, материаловедение стало прикладной наукой.
В ХХ веке научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлургического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки. Быстро растет число сплавов, обладающих специфическими свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми магнитными, «памятью» механической формы и т.д.; создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники и др.
На основе теории химического строения вещества разработаны и получены полимеры. Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур.
Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной техники.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
Все материалы, используемые в промышленности, машино- и приборостроении, строительстве, быту и т.д., можно разделить на 3 группы: металлические, композиционные ( сочетают свойства металлов и неметаллов ) и неметаллические.
I. К металлическим материалам относятся чистые металлы и металлические сплавы, которые, в свою очередь, делятся на чёрные и цветные.
К чёрным относят железо и его сплавы: чугун, сталь, ферросплавы. Они составляют ~ 90% металлических материалов.
К цветным относятся все остальные металлы и их сплавы. В современной технике используется около 65 цветных металлов и очень большое число их сплавов (>10000).
Цветные металлы можно подразделить на:
а) легкие, чья плотность < 5000 кг/м3 (Mg, Be, Al, Ti );
б) легкоплавкие, с tпл <500оС :Ga (29,8oC), In (156,4oC), Sn (232oC), Pb (327oC), Zn (419,5oC);
в) тугоплавкие, с tпл выше, чем у железа (1539оС): W, V, Mo, Nb, Ta, Cr .
г) благородные, с высокой коррозионной стойкостью: Ag, Au, Pt, Ir, Os.
II. Композиционные материалы можно подразделить на материалы с металлической матрицей и с неметаллической матрицей.
III. Неметаллические материалы: древесные материалы, полимеры и материалы на их основе, резиновые, клеящие и лакокрасочные материалы, стекло и керамика.
4. ВКЛАД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЁНЫХ В РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Российские учёные сыграли ведущую роль в развитии материаловедения.
Основы научного металловедения были заложены такими учеными как:
1. Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765 гг.). Создал научно-техническую терминологию, опубликовал руководство по металлургии, выделил общее свойство металлов – ковкость.
2. Павел Петрович Аносов (1799 – 1851 гг.). В 1831 г. впервые применил микроскоп при исследовании строения стального слитка, заложив таким образом основы микроструктурного анализа; раскрыл секрет булатной стали и опубликовал в 1841 году книгу «О булате».
3. Дмитрий Константинович Чернов (1839 – 1921 гг.). В 1868 г. открыл структурные превращения в сталях при определённых температурах, что позволило создать теорию термической обработки; впервые изучил процесс кристаллизации стального слитка.
4. Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907 гг.). В 1869 г.открыл периодический закон химических элементов, без которого было бы немыслимо понимание структуры и свойств металлов и сплавов.
5. Николай Семёнович Курнаков (1860-1941 гг.). Разработал методы физико-химического анализа, изучил с учениками большое число металлических систем, построил их диаграммы состояния.
Большой вклад в развитие науки о металлах внесли также Н.В.Агеев, А.А.Байков, А.А.Бочвар, А.П.Гуляев, Г.В.Курдюмов, Н.А.Минкевич, С.С.Штейнберг и др.
Среди известных зарубежных учёных, без трудов которых невозможны успехи развития металловедения, следует назвать Ф. Осмонда (Франция), В. Юм-Розери (Англия), Э. Бейна и М. Мейла (США), Г. Таммана (Германия) и др.
Основой многих неметаллических материалов являются полимеры. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является Александр Михайлович Бутлеров (1826 – 1886 гг.). Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) – результат работ, проведенных Г.С.Петровым в 1907-1914 гг. В 1932 г. С.В. Лебедев впервые в мире осуществил промышленный синтез каучука. Ник. Ник.Семёнов разработал теорию цепных реакций и распространил на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных учёных: А.П.Александрова, В.А.Каргина, П.П.Кобеко, С.С.Медведева, С.Н.Ушакова и др. Развитие термостойких полимеров связано с именем К.А. Андриянова .
В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учёными: К.Циглером (Германия), Д.Наттом (Италия) и др.
1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
1.1. ХИМИЧЕСКИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Химические свойства характеризуют способность металлов взаимодействовать или не взаимодействовать с определёнными веществами. Мы выделяем для металлических материалов, используемых в промышленности и быту, такие свойства как коррозионная стойкость, кислотоупорность, химическая инертность ( все эти слова, в какой-то мере, синонимы).
Физические свойства характеризуют природу материала. Это – цвет, блеск, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, теплоёмкость, линейное и объёмное расширения, термоэлектронная эмиссия (способность к испусканию электронов при нагреве), магнетизм, кристаллическое строение.
Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. К ним относятся прочность, твёрдость, хрупкость, упругость, пластичность, вязкость (способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации), усталость (разрушение металла под действием повторных или знакопеременных нагрузок), выносливость (сопротивление усталости), ползучесть или текучесть (непрерывная медленная пластическая деформация, развивающаяся под длительным действием постоянных механических и термических нагрузок) и др.
Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться различным видам обработки. К ним относятся литейные свойства (характеризуются жидкотекучестью и усадкой), свариваемость, прокаливаемость, ковкость, обрабатываемость резанием и др.
Эксплуатационные (служебные) свойства характеризуют способность материалов сохранять свои химические, физические, механические свойства при длительной эксплуатации. К ним относятся жаростойкость или окалиностойкость (способность металла сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре); жаропрочность (способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах); износостойкость (способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении) и др.
Методы изучения механических свойств. К ним относятся статические испытания, характеризующиеся медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от 0 до неко
торого максимального значения (определение твердости, испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.п.); динамические испытания, характеризующиеся приложением нагрузки с большой скоростью – ударом (определение ударной вязкости КС и т.п.); длительные испытания, позволяющие определить долговечность материала (испытания на ползучесть, длительную прочность, износ, действие циклических нагрузок и т.п.).
1.2. АМОРФНЫЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА. ЭЛЕМЕНТЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ
Вещество в твердом состоянии может иметь аморфное или кристаллическое строение. В аморфном веществе, например, стекле, структурные составляющие (атомы, молекулы, ионы) расположены беспорядочно, а в кристаллическом – по геометрически правильной схеме, на определенном расстоянии друг от друга.
Общим свойством металлов и сплавов является их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки - воображаемой пространственной сетки с атомами в узлах. Наименьшая геометрически правильная часть объёма кристаллической решетки называется элементарной ячейкой. Трансляция (параллельное перемещение) элементарной ячейки в пространстве полностью воспроизводит структуру кристалла. Длина ребра элементарной ячейки, т.е.расстояние между центрами двух соседних частиц, называется периодом решетки измеряется в нм (10-9 м).
Кристаллические решётки, в которых атомы расположены только в узлах, называются простыми. В сложных кристаллических решётках с плотной упаковкой атомы находятся не только в вершинах, но и внутри ячеек или на гранях.
Кристаллы характеризуются координационным числом (К) и базисом решётки (n). Координационное число показывает, сколько ближайших равноудалённых соседних атомов окружает каждый атом в кристалле и характеризует плотность упаковки атомов в кристалле. Чем больше К, тем выше плотность упаковки. Базис решётки означает число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.
Для большинства металлов характерны 3 типа кристаллических решёток:
а). Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК)
К = 8. Такую решётку имеют щелочные металлы и многие
тугоплавкие Cr, W, V, Mo, Nb и др. n = 1/8 x 8 + 1 = 2б
). Гранецентрированная кубическая (ГЦК). К = 12. Такую решётку имеют Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Al, Pb и др. n = 1/8х8 + 1/2х6 = 4в). Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
К = 12. Такую решётку имеют Be, Mg, Cd и др. n = 1/6x12 + 1/2x2 + 3 = 6 Существуют другие виды кристаллических решёток:
а). Простая кубическая
a = b = c, α = β = γ = 90o c
b
a
б).Тетрагональная
a = b ≠ c, α = β = γ = 90o
c
b
a
в) Ромбоэдрическая
a = b = c, α = β = γ ≠ 90o с
а b
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, в кристаллах наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристаллах в зависимости от направления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочность кристалла железа – более чем в 2 раза.
Аморфные же тела все изотропны, т.е. имеют одинаковые физико-механические свойства по всем направлениям.
Анизотропия свойств (прочности, тепло- и электропроводимости, коэффициента линейного термического расширения и др.) характерна для монокристаллов. Применяющиеся металлические материалы являются, преимущественно, телами поликристаллическими, состоящими из большого числа случайно ориентированных по отношению друг к другу в пространстве кристалликов. Поэтому при испытании таких тел анизотропия не обнаруживается – свойства во всех направлениях усредняются, и поликристалл становится как бы изотропным. Это явление называют квазиизотропией.
1.3. ПОЛИМОРФНЫЕ И МАГНИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Способность некоторых веществ в твердом виде существовать в различных, отличающихся кристаллической структурой состояниях, устойчивых в определенных интервалах температур и давлений, называется полиморфизмом или аллотропией.
Полиморфные модификации принято обозначать буквами греческого алфавита, начиная с низкотемпературных модификаций. Температуру превращения одной кристаллической модификации в другую называют температурой полиморфного превращения.
Некоторые металлы претерпевают полиморфные превращения. Рассмотрим явление полиморфизма на примере железа.
911о 1392о
Feα Fе Feδ
ОЦК ГЦК ОЦК
Полиморфные превращения, как правило, характеризуются объёмным эффектом порядка 1-2%. При этом низкотемпературные модификации имеют более плотные упаковки, чем высокотемпературные. Но есть исключения. Например: железо при нагреве сначала перестраивается в более плотную модификацию, а затем исправляет «ошибку».
Более существенные отклонения наблюдаются при полиморфном превращении олова. При температуре полиморфного превращения 13оС превращение Snβ в Snα протекает обычно вяло и локализуется в малых объёмах в виде рыхлых пятен серого цвета – зародышей α-модификации. Своевременное удаление очагов новой модификации может спасти оловянное изделие. Если же очаги не удалять и длительное время хранить изделия из олова при низких температурах (максимальная скорость превращения наблюдается при - 39оС), то переход Snβ в Snα вызывает рассыпание изделия в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», объясняется тем, что высокотемпературное белое β- олово с металлическим типом связи (тетрагональная решётка) имеет на 25% меньший объём, чем серое α-олово с ковалентной связью (кубическая решетка типа алмаза). Большое изменение объёма при перестройке вызывает внутренние напряжения, превышающие прочность кристаллов.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Роберта Скотта (достиг Южного полюса 12 января 1912 г.). Оловом были запаяны швы канистр с керосином. При низкой температуре произошло превращение белого олова в серое. Горючее вылилось и, к тому же, испортило запасы пищи. На обратном пути экспедиция осталась без топлива и еды.
Кроме рассмотренных полиморфных превращений, заключающихся в перестройке кристаллических решёток, в металлах могут наблюдаться превращения, не приводящие к изменению типа решётки. Они заключаются в перестройке электронных оболочек, обусловленной изменением магнитных моментов. Такие превращения называются магнитными. Температура, при которой происходит магнитное превращение, называется точкой Кюри. Она есть только у металлов, обладающих магнетизмом. Так ферромагнитное α-железо при 768оС теряет свои магнитные свойства, становится парамагнитным. Раньше парамагнитное железо обозначали как β-железо, но т.к. кристаллическая решётка не меняется, этим обозначением не пользуются.
Точка Кюри имеется и у других ферромагнетиков : Ni (358oC), Co (1120oC).
1.4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Ещё в 1878 г. Д.К.Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождения мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов назвал «зачатками», а теперь их называют зародышами или центрами кристаллизации; 2) роста кристаллов из этих центров.
При равновесной температуре затвердевания, равной температуре плавления металла, равновероятно существование и жидкого, и твердого состояния, поэтому, чтобы началась кристаллизация, требуется некоторое переохлаждение. Степень переохлаждения ΔT = Тпл – Ткр. При температурах, близких к Ткр , в жидком металле из-за флуктуации плотности образуются небольшие группировки, в которых атомы упакованы так же, как в твёрдых кристаллах. Из части таких группировок образуются центры кристаллизации (ц.к.). С увеличением ΔТ возрастает число ц.к., образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся ц.к. начинают расти кристаллы, и продолжается образование новых ц.к. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых ц.к., так и за счёт роста существующих.
Получившиеся при затвердевании сросшиеся кристаллы с неправильной внешней огранкой называются зёрнами или кристаллитами.
С
уммарная скорость кристаллизации определяется скоростью зарождения ц.к.(СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР). Величины СЗ и СР зависят от ΔТ. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны 0, и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело. Графически это в
ыглядит так:
СРСЗ
СР СЗ
Тпл ΔТ
Если раньше аморфное состояние достигалось лишь для неметаллических веществ, то в настоящее время, с использованием специальных приёмов, достигается высокая скорость охлаждения (более 106 град/с), и можно получать металлы в стеклообразном (аморфном) состоянии с особыми физико-механическими свойствами.
Рассмотренный выше спонтанный процесс кристаллизации требует значительных степеней переохлаждения, особенно для чистых металлов и встречается редко.
В реальных условиях образование ц.к. облегчается присутствием в расплаве твердых частиц различных примесей, неметаллических включений, стенок сосуда и т.д. Они служат подложкой, облегчающей образование зародышей.
Использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна называется модифицированием. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава (ввиду незначительных количеств), вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. При введении в магниевые сплавы магнезита (MgCO3) зерно уменьшается более, чем в 10 раз: от 0,2-0,3мм до 0,01-0,02мм. Модификаторами для алюминиевых сплавов являются Ti, V, Zr, для стали – Al, V, Ti, для чугуна – Mg.
Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начинается от стенок формы в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно к стенке. При этом образуются оси І порядка, потом ІІ , затем ІІІ порядка и т.д. В результате получается разветвленный древовидный кристалл, называемый дендрит.
1.5. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК
До сих пор, описывая кристаллическую структуру металлов, мы принимали, что атомы в кристаллических решётках расположены в строгом порядке, т.е. рассматривали идеальный кристалл. В действительности же в реальных кристаллах имеется значительное число мест, в которых идеальное расположение атомов нарушено, или, как принято говорить, в кристалле имеется значительное количество дефектов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства металлов.
Дефекты в кристаллах подразделяют по геометрическим признакам на 4 группы: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объёмные (трёхмерные).
Точечные дефекты. Они характеризуются малыми размерами во всех трёх измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К ним относятся: а) вакансии – свободные места в узлах кристаллической решётки; б) дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решётки в междоузельные промежутки: в) примесные атомы в узле; г) примесные атомы в междоузлии.
Число точечных дефектов зависит от температуры, вида обработки и др. При скоплении вакансий могут образовываться пустоты (поры). Наличие вакансий сообщает атомам подвижность, т.к. вакансии могут перемещаться и, следовательно, оказывать влияние на процесс диффузии. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. При встрече вакансии и дислоцированного атома дефекты взаимно уничтожаются (аннигилируют).
Линейные дефекты (дислокации). Они характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Различают два основных типа дислокаций – краевую и винтовую. Дислокации обоих типов образуются путём сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решётки.
Краевая дислокация представляет локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости или экстраплоскости. Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости. В этом случае кристалл можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами.
Поверхностные дефекты. Они имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решётки. Ими могут быть границы зёрен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагмента.
Зёрна повёрнуты относительно друг друга на десятки градусов. Эти границы называют большеугловыми. Фрагменты разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы, а блоки повёрнуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. Такая структура зерна называется блочной или мозаичной.
Объёмные дефекты. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трёх направлениях кристалла. Это поры, трещины, усадочные раковины и т.п. Трёхмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и др. процессах. Эти дефекты значительно снижают прочность металлов.