Файл: Материаловедение. Лекции 5-й Семестр (Часть 1).doc

§ 5. Строение металлического слитка.

Жидкий металл заливают в изложницу:

Рассмотрим зоны:

1. Зона мелкозернистой корки (здесь высокая степень переохлаждения):

число центров мелкозернистая структура.

2. Зона столбчатых кристаллов:

3. Зона крупных равноосных кристаллов (вялые уровни теплоотвода):

число центров крупнозернистая структура.

Нет направленного теплоотвода, тепло отводится медленно. Эта зона имеет худшую прочность, пластичность и ударную вязкость.

4. Усадочная раковина.

В процессе усадки изменяется объем металла, при кристаллизации объем металла уменьшается.

Прибыль удаляют механическим путем, и дальше она идет на переплавку.

Крайне нежелательно быстро охлаждать слиток, потому что при этом будут расти столбчатые кристаллы, а зоны 3 вообще не будет. Этот процесс носит название транскристаллизации. После прокатки металла появятся трещины (наибольшая опасность появления трещин в местах стыков). Один из способов предотвратить появление трещин при прокатке металла- уменьшить угол схождения столбчатых кристаллов (слиток является многогранником).

Раздел 2. Строение сплавов.

Сплав- материал, полученный сплавлением или спеканием двух или более элементов (металлических и неметаллических). Сплавление предполагает жидкую фазу, а спекают обычно порошки.

Примером очень твердого сплава может послужить сплав карбида и вольфрама.

Следует отметить, что чистый металл используют в деталях и узлах в том случае, если к ним предъявляют одного или несколько требований. Чистые металлы не слишком прочные. Однако чаще к деталям предъявляют много требований, поэтому сплавы используют гораздо чаще.

Строение сплавов более сложное, чем у чистых металлов и зависит от того, как взаимодействуют друг с другом элементы, входящие в состав сплава.

В жидком состоянии элементы растворимы и образуют жидкий раствор. В твердом возможны следующие варианты:

1). Образование механических смесей двух компонентов (пример: перлит).

2). Образование химического соединения (пример: цементит).

3). Образование твердого раствора на основе одного из компонентов (пример: аустенит).

Обозначим заглавными буквами икомпоненты, в качестве которых будут выступать химические элементы и даже химические соединения.

1. Механические смеси образуются в том случае, если компоненты ипрактически нерастворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений. Сплав будет состоять из смеси кристаллови:

Свойства полученного материала будут определяться исходя из количественного соотношения компонентов и.

2. Химические соединения образуются тогда, когда количественное соотношение атомов компонентов соответствует стехеометрической пропорции и может быть представимо в виде формулы: , гдецелые числа.

При этом образуется новый тип кристаллической решетки (другой тип, не совпадающий с типами решеток компонентов и).

Как правило, свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов (высокая твердость, высокая прочность, низкая пластичность).

Химические соединения делятся на две группы:

1. Образующиеся по законам нормальной валентности: и так далее.

2. Не подчиняющиеся законам нормальной валентности: (видно, что валентность не соблюдается).

Химическое соединение двух металлов называется интерметаллитом:

Ванадий-углерод: (где 4 и 3- максимально приближенные значения концентраций).

3. При образовании твердых растворов сохраняется тип решетки одного из компонентов (растворителя), а атомы второго компонента располагаются в ней.

Существуют твердые растворы двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

Твердые растворы замещения.

Смотри Лекцию №2 (замещающий атом).

Твердые растворы замещения образуются в том случае, если атомные радиусы обоих компонентов имеют близкие размеры. Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (то есть иметь ограниченную и неограниченную растворимость).

Любое количество атомов можно заменить атомами.

Неограниченный раствор замещения образуется при соблюдении трех условий:

1). Одинаковый тип кристаллической решетки у двух компонентов.

2). Близость атомных радиусов двух компонентов.

3). Сходное строение валентных электронных оболочек в атомах (то есть эти металлы должны близко располагаться в таблице Менделеева).

Твердые растворы внедрения.

– внедрение в железоуглерода.

Твердые растворы внедрения образуются, если атомный радиус растворяемого элемента много меньше атомного радиуса элемента растворителя.

Необходимое условие для образование раствора внедрения:

В нашем примере в роли растворителя выступает железо, а растворяемый элемент- углерод.

Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченными. При образовании твердых растворов возникают упругие искажения в кристаллической решетке, что приводит к изменению свойств сплавов.

Пластическая деформация развивается за счет движения дислокаций.

В твердых растворах вокруг атомов растворяемого элемента возникают упругие поля искажений кристаллической решетки, которые препятствуют движению дислокаций. Это называется упрочнением (твердое растворное упрочнение).

19.10.07. Диаграмма состояния.

Диаграмма состояния показывает состояние сплавов в зависимости от температуры и концентрации при постоянном давлении.

В дальнейшем мы будем рассматривать диаграмму состояния для двух состояний при постоянном давлении.

1:

2:

Вид диаграммы состояния зависит от того как взаимодействуют между собой компоненты: образуют ли раствор, химическое соединение, или практически нерастворимы в твердом состоянии. Мы будем рассматривать 4 типа диаграммы состояния.

Компоненты ирастворимы в жидком состоянии, практически нерастворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

линия ликвидус (выше которой все сплавы находятся в жидком состоянии).

линия солидус (ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии).