Общая характеристика

                           Дисперсно-упрочненные композиционные материалы представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.    

                           Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.

                           В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В ДКМ (как и в порошковых композиционных материалах) матрица несет основную нагрузку.

5

строение металлов виды кристаллических решеток

Типы кристаллических решеток Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

Объемно-центрированная кубическая.

Гексагональная плотноупакованная.

Гранецентрированная кубическая. - 

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

6

 Характеристика кристаллических решеток

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другие протекает при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного состояния проявляется в частичной или полной кристаллизации. Пример: помутнение неорганических стекол при нагреве.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченной структурой. В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами рентгенографии и электронографии. Большинство кристаллических материалов состоит из мелких кристалликов - зерен. Наблюдают такую микроструктуру с помощью оптических или электронных микроскопов. Макроструктуру изучают невооруженным глазом или при небольших увеличениях, при этом выявляют раковины, поры, форму и размеры крупных кристаллов.

Закономерности расположения элементарных частиц в кристалле задаются кристаллической решеткой. Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка - равные расстояния до ближайших элементарных частиц по осям координат a, b, c и три угла между этими отрезками . Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки.

7

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов

Атомно-кристаллическая структура. На атомарном уровне (размер 10в-10 м — 1 А) имеет место атомно-кристаллическая структура в виде упорядоченного расположения атомов (ионов) в узлах кристаллической решетки. На рис. 1.1 приведены наиболее распространенные типы атомно-кристаллических структур: кубическая гранецентрированная (ГЦК), кубическая объем но центрированная (ОЦК), гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Упорядоченное расположение атомов в кристаллах характеризуется наличием ближнего и дальнего порядка. Координационное число, которое определяется числом ближайших соседних атомов, равно 12 для структур ГЦК и ГПУ и 8 для ОЦК-структуры. Согласно модели жестких шаров коэффициент заполнения пространства кристаллической решетки составляет 0,74 для ГЦК- и ГПУ-структур и 0,68 для менее плотной ОЦК-структуры.

В рассматриваемых кристаллических решетках существует два типа междоузлий или пустот: октаэдрические и тетраэдрические (рис. 1.1).
Более крупные — октаэдрические — пустоты окружены шестью атомами, расположенными в вершинах правильного октаэдра. Более мелкие пустоты — тетраэдрические — распложены в вершинах тетраэдра,
Атомно-кристаллическая структура металлов и сплавов может быть представлена в общем случае ограниченным набором элементарных ячеек, характеризующих строго определенное расположение положительных ионов в пространстве, параллельными переносами которых (трансляциями) в трех измерениях можно построить всю кристаллическую решетку.
Плотное заполнение пространства «без просветов» возможно при определенном наборе элементов симметрии. В связи с этим в кристаллах отсутствуют оси симметрии пятого порядка и более высокого, чем шестой порядок.
Образование твердых растворов замещения происходит путем замещения атомов (ионов) в узлах кристаллической решетки основы сплава (матрицы) и определяется, в частности, размерным фактором. При различии размеров атомов, не превышающем 15%, существует непрерывный ряд твердых растворов, а при большем различии размеров атомов образуется твердый раствор с ограниченной растворимостью.
Твердые растворы внедрения по модели плотной упаковки жестких шаров образуются в результате заполнения междоузлий в кристаллической решетке матрицы. Растворимость элемента внедрения зависит от количества и размеров пор. Как правило, растворимость элементов внедрения мала, в частности предельная растворимость наиболее распространенного легирующего элемента внедрения в высокопрочных сплавах — углерода — составляет 0,01%, и в связи с этим в высокопрочных сплавах происходит выделение фаз внедрения.
Фазы внедрения, к которым относятся карбидные, боридные, нитридные, гидридные фазы, которым придается существенное значение в металловедении высокопрочных сплавов, обладают металлическими свойствами и образуются в результате заполнения межузлий кристаллической решетки металлических атомов (ионов) атомами внедрения. Оптимальное соотношение размеров атома внедрения и атомов матрицы согласно правилу Хегга ≥ 0,59. Следует отметить, что кристаллическая решетка металлических атомов в структуре фаз внедрения отличается от кристаллической решетки соответствующего металла.
Интерметаллические соединения представляют собой промежуточные фазы, т. е. фазы, имеющие кристаллическую решетку, отличную от решеток, образующих фазу компонентов, и обладающие металлическими свойствами. На диаграммах состояния интерметаллические соединения характеризуются областью гомогенности, поскольку их состав может отличаться от определенного стехиометрического состава. Интерметаллидные фазы, характеризующиеся отсутствием заметной растворимости, плавление которых происходит без изменения состава (разложения), т. е. конгруентно, относят к дальтонидам. Интерметаллидные фазы с широкой областью гомогенности, на линии ликвидуса которых отсутствует сингулярная точка и плавление которых происходит инконгруентно, представляют собой бертоллиды.
По своей природе интерметаллидные фазы делят на ряд классов; электронные соединения, структура которых определяется электронной концентрацией; интерметаллидные фазы, имеющие сложные решетки.

В высоколегированных сплавах образуются интерметаллидные фазы σ, Р, μ, R, χ, фазы Лавеса, которые имеют сложную элементарную ячейку, содержащую ≥ 20 атомов (рис. 1.2). При анализе этих фаз используется представление атомно-кристаллической структуры путем заполнения решетки координационными полиэдрами (многогранниками). Идея выделения координационных полиэдров в кристаллической структуре связана с образованием устойчивых группировок атомов, которые сохраняются в кристалле как целое и поэтому рассматриваются как структурные единицы.
Координационные полиэдры не заполняют целиком объем кристаллической решетки в отличие от элементарных ячеек и таким образом условно отделяют заполненную часть от незаполненной. Координационные полиэдры образуют кристаллическую структуру в результате сочленения между собой по вершинам либо по ребрам или граням.
Таким образом, структура интерметаллических соединений, которые трудно или невозможно представить в виде плотных упаковок жестких шаров, характеризуется сохранением тенденции к наибольшему заполнению пространства. Рассмотренная модель представления кристаллической структуры применяется, например, в случае интерметаллидных фаз σ, Р, μ, R, χ, образованных металлами с несколько различающимися размерами атомов и имеющих сложную элементарную ячейку. Для всех этих фаз характерны большие координационные числа и высокая степень компактности.
Упорядоченное расположение атомов в этих фазах связано с тем, что более крупные атомы занимают позиции с большим координационным числом. На ширину области гомогенности влияет соотношение атомных радиусов, однако определяющим фактором в образовании рассмотренных фаз является электронная концентрация.
Исследование атомно-кристаллической структуры осуществляется дифракционными методами структурного анализа: рентгеновским структурным анализом, электронографией и нейтронографией. Методы туннельной микроскопии, микроскопии атомных сил, атомного ионного проектора позволяют изучать положение отдельных атомов на поверхности твердых тел.
Кристаллическая структура металлов и сплавов существенным образом влияет на их физико-механические свойства. Анизотропия, т. е, различие свойств по разным направлениям, повышенная склонность к хрупкому разрушению, хладноломкость, ограничение систем скольжения при деформации определяются кристаллической структурой сплавов, структурно-фазовыми составляющими.
Аморфные структуры по уровню пространственного разрешения являются типом атомной структуры, который характеризуется наличием ближнего атомного порядка по аналогии со структурой жидкости и отсутствием дальнего порядка, характерного для кристаллического состояния. Таким образом, твердые тела с аморфной структурой представляют собой переохлажденные жидкости — металлические стекла.
Дислокационная структура. Кристаллическая структура, построенная трансляциями элементарной ячейки, является идеальной. Реальные кристаллические решетки металлов и сплавов имеют дефекты: нульмерные (точечные) — вакансии и межузельные атомы; одномерные (линейные) — дислокации; двухмерные (поверхностные) — границы блоков, зерен, дефекты упаковки и др.; трехмерные (объемные) — пустоты, поры, включения.
Дефекты кристаллической структуры оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов. В металловедении дислокационная структура характеризует плотность, распределение и природу отдельных дислокаций, а также их скопления с образованием субзерен, зарождение рекристаллизованных зерен.
Основные типы дислокационных структур металлов и сплавов — ячеистая, полигональная (субзеренная) и рекристализованная структуры.
По сравнению с атомно-кристаллической структурой дислокационная структура соответствует более низкому уровню разрешения в пределах от 10 нм до сотен микрометров.
Методами исследования дислокационных структур являются: прямой метод дифракционной электронной микроскопии, метод рентгенографии, в определенной мере метод металлографии.
Влияние дислокационной структуры на свойства металлов и сплавов проявляется, например, в эффекте упрочнения при интенсивной пластической деформации (наклепе) и разупрочнения при возврате и рекристаллизации.
От дислокационной структуры существенно зависят прочностные свойства металла. Целенаправленно изменяя дислокационную структуру за счет выбора химического состава сплава, режимов его термической, термомеханической обработки, можно обеспечить высокий уровень свойств.
Тонкая, электронно-микроскопическая структура. Метод дифракционной электронной микроскопии в общем случае позволяет исследовать тонкую, или электронно-микроскопическую, структуру, т. е. структуру металла с дислокациями, дефектами упаковки, двойниками, а также структуру сплавов на стадии зонного распада и фазового старения при увеличениях 10в4—10в5.
Наноструктура, ультрадисперсная структура. Характеризуется размером областей с кристаллической структурой на уровне 10в-9 м (1 нанометр). В связи с этим значительная доля атомов (порядка 50 %) находится на поверхностях — границах кристаллитов, образуя кристаллически не упорядоченные пограничные слои. Такого типа «композиционная» структура обладает уникальными свойствами.
Ультрамелкозернистая структура (микрокристаллическая структура).Представляет собой структуру с размером зерна менее 10 мкм. Наличие ультрамелкозернистой структуры в металлических сплавах является необходимым условием проявления эффекта сверхпластичности.
Микроструктура. Металлографически выявляемая структура металлов и сплавов, для которой характерен уровень разрешения светового оптического микроскопа с увеличениями порядка 100—1000 раз. Методы рентгенографии, сканирующей электронной микроскопии также применяются для анализа микроструктуры металлов и сплавов,
Основными элементами микроструктуры являются зерна, субзерна, ячейки, дендриты, границы зерен, междендритные области, выделения частиц различных фаз, структурные составляющие (например, эвтектика, эвтектоид и др.), дефекты структуры в виде пор, включений, микротрещин и др. Роль микроструктуры в обеспечении требуемых физико-механических свойств сплавов невозможно преувеличить. Размер зерна, внутрикристаллическая (дендритная) ликвация (химическая и структурная неоднородность), преимущественная пространственная ориентация зерен (текстура), гомогенные и гетерогенные выделения частиц второй фазы, образование зерен первичной и вторичной рекристаллизации — факторы, определяющие влияние микроструктуры на свойства высокопрочных сплавов.
Этот тип структуры характеризуется довольно широким интервалом размеров (масштаба) структурных элементов от - 1 мкм до - 1 мм. Минимальные размеры элементов микроструктуры (~ 1 мкм) характерны для дисперсных структурных составляющих (перлит, сорбит в сталях), отдельных дислокаций и их скоплений в монокристаллах, зародышей рекристаллизации в деформированных металлах. Максимальные размеры (~ 1 мм) соответствуют крупнозернистым структурам.
Макроструктура. Выявляется при визуальном наблюдении или при наблюдении с небольшим увеличением отдельных образцов, а также изделий, полуфабрикатов, слитков массой до нескольких тонн.
Масштаб макроструктуры соответствует размерам образцов и изделий от нескольких миллиметров до нескольких метров.
Макроструктура выявляет различные виды зональной ликвации и пористости в слитках высоколегированных сталей и сплавов, неоднородность структуры, например в виде зон равноосных и столбчатых кристаллов в слитках, и др.
Влияние макроструктуры сплавов на свойства изделий проявляется, например, в виде формирования волокнистой структуры деформированных изделий, способствующей повышению конструкционной прочности (например, волокнистая структура коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания). Элементами макроструктуры являются зерна первичной кристаллизации, а также дефекты структуры слитков в виде различных видов пористости, зональной ликвации, приводящие к снижению технологической пластичности высоколегированных сплавов.
Следует отметить, что в ряде случаев, в частности при анализе механизмов сверхпластичности, помимо рассмотренных структурных уровней структуры выделяют промежуточный тип структуры — мезоструктуру, определяемую как структуру промежуточного масштаба (уровня), соответствующего среднему размеру зерна.
Для современного металловедения характерен многоуровневый анализ структуры металлов и сплавов с учетом взаимосвязи между изменениями структуры различных уровней и степени их влияния но свойства. Синергетический подход и мультифрактальный формализм при анализе процессов формирования структуры материалов в сильно неравновесных состояниях рассматриваются как перспективное направление в материаловедении.
Разработка новых сплавов определяется выбором основы сплава (матрицы), легирующего элемента или комплекса элементов, заданием оптимальной их концентрации.
Диаграммы состояний высокопрочных сплавов обычно характеризуются наличием областей непрерывных и ограниченных твердых растворов легирующих элементов, образованием интерметаллидных соединений и фаз внедрения.
Особую роль играет характер распределения интерметаллидных фаз и фаз внедрения, обусловленный спецификой фазовых превращений (в виде отдельных частиц или, например, в виде эвтектики).
Кинетика распада пересыщенного твердого раствора оказывает существенное влияние на формирование структуры высокопрочных сплавов, в частности сплавов на основе никеля и алюминия.
Анализ соответствующей диаграммы состояния сплавов позволяет в предельном случае термодинамического равновесия определить физико-химические особенности взаимодействия элементов, типы образующихся фаз, таких, как граничные твердые растворы, промежуточные соединения (интерметаллидные фазы или фазы внедрения), структурно-фазовое состояние и эффективность упрочнения сплава.

8

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Фазы в металлических сплавах.

Сплавы в зависимости от взаимодействия компонентов подразделяются на:

· смеси зерен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;

· растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;

· химические соединения компонентов.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (Рис.1 а).

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента размещаются между атомами растворителя (Рис.1 б).

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента (Рис.2).

Рисунок 2. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения.

Твердый раствор состоит из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Примерами твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы внедрения углерода в железо.

Механическая смесь образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

. Схема микроструктуры механической смеси.

Свойства механической смеси определяются количественным соотношением входящих в неё кристаллов компонентов. Сплавы механические смеси имеют хорошие литейные свойства.

Сплавы химические соединения образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными.

Особенности сплавов химические соединения:

· постоянство состава, т.е. сплав образуется при определенном соотношении компонентов;

· образуется специфическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение (Рис. 4);

· ярко выражены индивидуальные свойства

9

Аллотропические превращения, так же, как и первичная кристаллизация, протекают при постоянной температуре, так как при охлаждении происходит выделение, а при нагреве — поглощение тепла.

Аллотропические превращения протекают путем зарождения центров кристаллизации в твердом металле и роста вокруг них кристаллов новой модификации, подобно процессу первичной кристаллизации.

В связи с этим процесс аллотропического превращения, связанный с перекристаллизацией (повторной кристаллизацией) в твердом состоянии, называют вторичной кристаллизацией

Наиболее известными и имеющими практическое применение являются аллотропические превращения железа, олова, марганца, кобальта.

10

Система, состоящая из большого числа атомов, стремится к такому состоянию, которому в данных условиях соответствует минимальное значение величины свободной энергии. Если вещество может существовать в жидком и твердом кристаллическом видах, то устойчивой в данных условиях будет та фаза, которая обладает меньшей величиной свободной энергии.

При температурах выше равновесной температуры плавления, меньшей свободной энергией обладает жидкая фаза, а ниже этой температуры - твердая фаза. При определенной температуре обе фазы могут существовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры, когда возникает разность свободных энергий.

11

Механизм процесса кристаллизации изучался многими учеными. На основании многолетних исследований литой стали Д. К. Чернов еще в 1878 г. указывал, что процесс кристаллизации металлов подобен кристаллизации солей и состоит из двух элементарных процессов, которые протекают одновременно. Первый процесс заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов (Д. К. Чернов называл их зачатками), второй процесс - в росте кристаллов из этих центров. Последовательные этапы процесса кристаллизации схематично. Первый этап - появление зародышей кристаллов. При дальнейшем остывании металла к этим зародышам присоединяются всё новые атомы, которые группируются в определенном порядке один возле другого образуя элементарные ячейки кристаллической решетки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока выросшие кристаллы не заполнят весь объем металла.

С 12 по 20 вопрос ответов тут нет!

21. Легированная сталь — сталь, которая, кроме обычных примесей, содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на:

· низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %),

· среднелегированную (от 2,5 до 10 %),

· высоколегированную (от 10 до 50 %).