Контрольная работа по "Материаловедению и ТКМ"

Задание 1. Атомно-кристаллическая структура металлов. Анизотропия металлов. Процессы кристаллизации металлов. Аллотропия металлов

 

Атомно-кристаллическая структура металлов

 

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая  решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

•  примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

• базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

•  объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

•  гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1. объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис. 1а) ‒ атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, );

2. гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1б) ‒ атомы располагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, );

3. гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

‒ простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

‒ плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (см. рис. 1в) (цинк).

 

Рис. 1.  Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анизотропия  металлов

 

Вследствие неодинаковой плотности  атомов в различных плоскостях и  направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы  являются поликристаллами, т.е. состоят  из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

 

Процессы кристаллизации металлов

 

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Кристаллизация протекает  в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла  из жидкого состояния в кристаллическое  можно изобразить кривыми в координатах  время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Кривая охлаждения чистого металла

– теоретическая температура кристаллизации;

_. – фактическая температура кристаллизации.

 

Процесс кристаллизации чистого металла

До точки 1 охлаждается  металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Модель кристаллизации металла в первые 7 секунд охлаждения представлена  кинетической кривой кристаллизации (рис. 3).

 

Рис. 3. Кинетическая кривая кристаллизации

 

По мере развития кристаллизации в нем участвуют все большее  и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов начинает заметно препятствовать их росту. Рост кристаллов замедляется еще и потому, что количество жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше. В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается. Внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Вот почему кристаллы металла - зерна (кристаллиты) не имеют правильной формы.

Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 4).

 

Рис. 4. Зависимость скорости кристаллизации (СК) и скорости зарождения

центров кристаллизации (ЧЦ) от степени переохлаждения

 

Величины оптимального переохлаждения до достижения максимальной скорости кристаллизации (СК) и до образования максимального числа центров кристаллизации (ЧЦ) не совпадают.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения СК и ЧЦ. При большом значении СК и малом значении ЧЦ образуется мало крупных кристаллов. При малых значениях СК и больших ЧЦ образуется большое число мелких кристаллов.

 

Аллотропия  металлов (полиморфизм)

 

Способность некоторых  металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки  представляет собой аллотропическое  видоизменение или модификацию.

Аллотропические формы  обозначаются греческими буквами a, b, g и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма при самой низкой температуре, обозначается буквой a, следующая - b и т. д.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является одна модификация, а в другом – другая. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Механизм роста кристаллов новой фазы может быть нормальным кристаллизационным и мартенситным. Нормальный механизм роста – это  зарождение новой фазы на границах зерен, блоков, фрагментов при малых степенях переохлаждения (Sn_a « Sn_b).

Мартенситный механизм реализуется при низких температурах и большой степени переохлаждения, при малой диффузионной подвижности атомов путем их сдвига (смещения) по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Новая фаза имеет форму игл и растет очень быстро (Co_a «Co_b).

Аллотропическое превращение  сопровождается изменением свойств, объема и появлением внутренних напряжений.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

– ГЦК - ;

– ОЦК - ; (высокотемпературное ).

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

 

Задание 2. Диаграмма «железо-цементит»

 

Особенности диаграммы  определяются полиморфизмом железа и углерода, а также ферромагнетизмом железа:

• от 1539 – 1392 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация железа называется d (Fe);

• от 1392 – 911 ^оС железо имеет решетку ГЦК, такая модификация железа называется g(Fe);

•  ниже 911 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация называется a(Fe);

•  при температуре 768 ^оС железо теряет магнитные свойства, и эта температура называется точкой Кюри.

 

В каждой модификации  железа растворяется строго определенное количество углерода с образованием твердых растворов внедрения:

•  d - феррит – раствор углерода в d(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в d(Fe) составляет 0,1 % при температуре 1499 ^оС;

•  аустенит – твердый раствор углерода в g(Fe) с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в g(Fe) составляет 2,14 % при температуре 1147 ^оС;

•  a - феррит – твердый раствор углерода в a(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a(Fe) составляет 0,025 % при температуре 727 ^оС.

 

Кроме указанных выше твердых растворов в системе Fe – С образуются две высокоуглеродистые фазы:

‒ цементит – химическое соединение Fe₃С со сложной орторомбической решеткой, которое содержит 6,67 % углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 1260 ^оС . Эта фаза метастабильная, способная к распаду (Fe₃С ® 3Fe + С_гр);

‒ графит – модификация углерода с ГПУ решеткой. Эта фаза стабильная, состоит на 100 % из углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 3600 ^оС.

 

В дополнение к фазам  в виде твердых растворов на диаграмме  имеются области существования механических смесей:

•  перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,8 % С (см. рис., точка S);

•  ледебурит – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727 ^оС или перлита и цементита при температурах ниже 727 ^оС, содержащая 4,3 % углерода (см. рис., точка С).

 

Сплошными линиями изображена диаграмма «железо-цементит», штриховыми – диаграмма Fe – С (см. рис.). Основной является диаграмма «железо-цементит». Однофазные области диаграммы:

‒ выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);

‒ область AHN – область d - феррита;

‒ область NJESG – область аустенита;

‒ область GPQ – область a - феррита;

‒ линия LD или KD – область цементита Fe₃C.

Остальные области диаграммы (см. рис.) – двухфазные: ледебурит, перлит и их комбинации.

 

 Характеристика линий и точек диаграммы «железо-цементит»:

Линия АВСD - линия ликвидус – линия начала кристаллизации сплава и состоит она из трех частей:

• AB – начало образования d- феррита;
• BC – начало кристаллизации аустенита;
• CD – начало кристаллизации цементита Fe₃C.

Линия AHJECF – линия солидус – линия конца кристаллизации сплава и состоит она из нескольких частей:

• AH – конец кристаллизации d- феррита;
• JE – конец кристаллизации аустенита;
• HJB – линия перитектического превращения:

          Ж_в + Fe_dH ¹⁴⁹⁹ ® Fe_gJ      или         Ж_В + Ф_H ¹⁴⁹⁹®    A _аусJ

• ECF – линия эвтектического превращения:

          Ж_с ¹¹⁴⁷® g_Е + Fe₃C_F         или        Ж_с ¹¹⁴⁷® А_Е + Ц_I

 

Остальные линии соответствуют  превращениям в твердом состоянии:

• NH и NJ (А₄) – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_d « Fe_g;

- GS (А₃)  и GP – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_g « Fe_a;

• ES(А_ст) – линия выделения вторичного цементита из аустенита (Fe₃C_II) за счет изменения растворимости углерода в g-железе. Эта линия называется линия сольвиус;
• PQ – линия выделения третичного цементита (Fe₃C_III) за счет изменения растворимости углерода в a- железе;
• PSK (А₁) – линия эвтектоидного превращения во всех сплавах независимо от  содержания углерода:

          Fe_gS  ⁷²⁷ ®  Fe_aP + Fe₃C_k   или  А_уст ® Ф_Р + Ц_II

• KD – линия существования химического соединения Fe₃C (цементит);
• MO (А₂) – 768 ^оС - линия магнитного превращения феррита (потеря магнитных свойств  железа).