Механизм полиморфных превращений в металлах

Полиморфные превращения в металлах.

Металлы и сплавы в зависимости от температуры могут сосуществовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую. Полиморфное превращение происходит в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим уровнем свободной энергии. На рис. 12 показана кривая охлаждения чистого железа и полиморфные u1087 превращения в металле.

Рис. 12. Кривая охлаждения чистого металла (железа).

Полиморфное превращение – кристаллизационный процесс и осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста. Образование зародышей идет с соблюдением принципа структурного и размерного соответствия. Рост зерен новой фазы происходит путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов отдельных атомов (группы атомов) через мажфазную границу. В результате граница новых зерен передвигается в сторону исходных, поглощая их. Зародыши новой фазы возникают по границам старых зерен или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии.

Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это явление используется в практике термической обработки металлов.

8Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическими и перетектическими превращениями.

На рис. 20. точка d характеризует предельную растворимость компонента β в компоненте α , а точка с компонента α в компонента β. Сплав, соответствующий точке 3, затвердевает при постоянной температуре Т4. При температуре несколько ниже жидкий сплав оказывается насыщенным по отношению к обеим фазам (α и β – твердым растворам), так как точка 3 принадлежит сразу двум ветвям ликвидуса. Поэтому из жидкости состава 3 при температуре Т4 одновременно выделяются предельно насыщенные кристаллы твердого раствора α d и β c, образующие механическую смесь.

Рис. 20. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику.

Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация α и β фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре, называют эвтектическими. Структура, состоящая из механической смеси двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называется эвтектикой. В переводе с греческого – “легкоплавящаяся”. Сплавы, располагающиеся влево от эвтектического состава и имеющие концентрацию в пределах точек d b 3, называются доэвтектическими, а справа в пределах концентрации точек 3 и с – заэвтектическими.

При кристаллизации эвтектик сначала зарождаются и растут кристаллы α − твердого раствора, богатого компонентом А. Жидкость, окружающая этот кристалл, обогащается вторым компонентом В, и в результате этого происходит выделение кристалликов α и β – твердого раствора. Жидкость, прилегающая к образовавшимся кристалликам β − фазы, в свою очередь, обогащается металлом А, и поэтому вновь выделяются кристаллики α – фазы, богатые компонентом А. В результате переменного пересыщения жидкости по отношению к α и β – фазам образуется эвтектическая колония.

Процесс кристаллизации эвтектики протекает при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз при одновременном существовании трех фаз постоянного состава система безвариантна. На кривой охлаждения образуется площадка. Одновременно кристаллизуются две фазы. После затвердевания сплав состоит из кристаллов эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов с перетектикой приведена на рис. 21. Линия acb на диаграмме соответствует линии ликвидус, а линия adeb – линии солидус.

Точка d характеризует максимальную растворимость компонента В в компоненте А, а точка е – предельную растворимость компонента А в компоненте В. Линия cde – линия перетектического превращения. Это превращение, как и эвтектическое, протекает в условиях существования трех фаз – жидкой и двух твердых α и β.

Перетектическое превращение отличается от эвтектического. При перетектическом превращении кристаллизуется только одна фаза, образующаяся в результате взаимодействия ранее выделившейся твердой фазы и жидкой части сплава определенного состава (точки с).

Процесс перетектического превращения происходит при постоянной температуре (f=0).

Рис. 21. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перетектику.

Процесс перетектического превращения происходит при постоянной температуре (f=0).

Процесс кристаллизации перетектического превращения не заканчивается при температуре t3, а продолжается и заканчивается , например для сплава 2 в точке, соответствующей температуре t4. Для сплава 1 при достижении температуры t3 на лини cde выделяются кристаллы как α – так и β – фазы. В процессе перетектического превращения α – фаза зарождается на поверхности β -кристаллов, обволакивает их и растет. В результате перетектической реакции могут образовываться не только твердые растворы, но и неустойчивые химические соединения, которые плавятся инконгруэнтно, т.е. при плавлении состав жидкого расплава не совпадает с составом соединения.

Эвтектика, англ. eutectic, eutecticum (от греческого слова “éutektos” – легко плавящийся) – смесь компонентов, которые плавятся при определённой, минимальной температуре.

Диаграмма с эвтектикой или диаграмма с эвтектическим превращением относится к диаграммам состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (III рода). В таких сплавах оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и не образуют химических соединений.

9Основные механические испытания – это определение прочностных характеристик, т.е. способности выдерживать внешние механические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. По характеру приложения нагрузки испытания делятся на статические, с плавным ростом нагрузки с требуемой скоростью и динамические, когда нагрузка воздействует в виде рывка, удара.

При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении, сжатии или изгибе, предел текучести, относительное удлинение при разрыве и относительную деформацию при сжатии, модуль упругости и др. При динамических испытаниях – ударную вязкость и стойкость к вибрации. Определяются твердость, гибкость, пластичность.

Следующие типы испытаний:на растяжение пластмасс, керамики, цемента (двусторонние лопатки), пластмасс и слоистых пластиков на сжатие (призмы, цилиндры), пластмасс на раскалывание, пленок на разрыв, пластмасс на статический изгиб (брусок лежит на двух опорах и нагружен в середине).

Ударная вязкость пластмасс по Шарпи и т.д. определяется с помощью маятниковых копров. Производят с помощью тяжелого маятника с бойком. После разлома образца маятник поднимается до какой-то точки. По разности первоначального положения и конечного находят энергию удара, затраченную на разрушение. Ударная вязкость – отношение энергии удара к площади поперечного сечения образца.

Твердость определяется несколькими способами:

Метод Бринелля – вдавливается шарик при определенной нагрузке. Чем больше диаметр отпечатка – тем меньше твердость. По значению измеренного диаметра отпечатка с использованием выражения определяется значение твердости по Бринелю.

Несколько другой способ реализован в методе Роквелла. Здесь производится вдавливание конусной иглы (индентора) при определенной нагрузке и по значению смещения индентора (это характеризует глубину), определяется твердость по Роквеллу.

Еще один популярный способ основан на царапанье более твердого материала менее твердым. Тем самым определяется относительная твердость материалов. Сравнение с рядом эталонных материалов, которым присвоены номера твердости по Моосу, (алмаз -10, корунд – 9, кварцит – 7, известняк – 3 и т.д.) позволяет получить и количественную характеристику.

Твердость пленок определяют маятниковым методом – на пленку ставится маятник, чем тверже материал, тем дольше маятник качается.

10 Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение.

Диаграмма состояния системы с наличием устойчивого химического соединения показана на рис. 23.

Рис.23. Диаграмма состояния системы, образующей устойчивое химическое соединение.

В связи с особыми свойствами химического соединения на диаграмме появляется ордината этого соединения, соответствующая его составу. На этой ординате откладывается температура плавления этого химического соединения t3. Ордината делит диаграмму состояния на две части, каждая из которых представляет простейший эвтектический тип диаграмм состояния.

Химическое соединение не является компонентом, так как образуется путем взаимодействия компонентов А и В. Выше точки 1 присутствует жидкость, несколько ниже точки 1 происходит образование и рост кристаллов AmBn. В точке 2 жидкий раствор состава Е2 будет кристаллизоваться с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов компонента А и химического соединения АmBn. В итоге кристаллизации расплав состава 1 будет состоять из кристаллов компонента АmBn и эвтектики, состоящей из кристаллов химического соединения АmBn и кристаллов компонента А. Если химическое соединение неустойчиво, образуется диаграмма со скрытым максимумом. Сначала будут кристаллизоваться чистые компоненты, затем выпадут кристаллы химического соединения. Взаимодействием двух фаз будет образована третья: произойдет перетектическое превращение.

Полиморфные превращения в металлах

При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую

Металлы и их сплавы используются в производстве машин, оборудования, инструментов и др. Несмотря на широкий ассортимент материалов, керамики и клеев, созданных искусственно, металл выступает в качестве основного конструкционного материала.

Металлический материал делится на 2 больших groups. An сплав железа и чугуна (чугун и чугун) называется железом, остальной металл и его сплавы называются цветными.

Свойства металлов разнообразны, но в то же время существуют характерные общие свойства металлов. К ним относятся::

Высокая пластичность;
Высокая теплопроводность;
Высокая проводимость;

Положительный температурный коэффициент термостойкости. Это означает увеличение сопротивления с ростом температуры, а также сверхпроводимость многих металлов при температурах, близких к абсолютному нулю.
Хорошая отражательная способность (металл непрозрачен и имеет характерный металлический блеск）
Кристаллическая структура в твердом состоянии.

Перечисленные свойства характерны не только для чистых металлов, но и для металлических сплавов.

Описанные свойства обусловлены электронной структурой металла material. In металлы, электроны на уровне внешней энергии слабо прикреплены к атомному ядру. Они находятся в относительно свободном состоянии и образуют электронный газ. Такие электроны являются общими для всех atoms. It свободно перемещается между положительно заряженными ионами. Электронный газ компенсирует взаимное отталкивание катиона и обеспечивает его связывание в твердом теле. Этот тип соединения не имеет направления и характеризуется высокой энергией.

Металлический тип соединения позволяет объяснить основные свойства металлов. Высокая электропроводность объясняется наличием свободных электронов. Свободный электрон течет с электрическим током за счет упорядоченного движения во внешнем электрическом поле.

Высокая теплопроводность обусловлена высокой подвижностью свободных электронов. Повышенная способность к пластической деформации объясняется отсутствием направленности металлических связей.

В зависимости от температуры, металлы и сплавы могут сосуществовать в различных кристаллических формах или в различных modifications. In в результате полиморфного преобразования одна кристаллическая решетка заменяется другой. Если при определенной температуре могут существовать металлы с различными кристаллическими решетками и более низкими уровнями свободной энергии, то происходят полиморфные превращения диаграмма исчисления исчисление показывает преобразование кривой охлаждения и металла чистого железа.

Полиморфная трансформация — это процесс кристаллизации, который осуществляется путем образования ядра и его последующего роста. Эмбриогенез следует принципам структурной и размерной адаптации. Зерна новой фазы выращиваются неупорядоченными и несвязанными переходами отдельных атомов (групп атомов) через границы неупорядоченной фазы. phase. As в результате границы нового зерна смещаются в сторону исходного зерна и поглощают его. Зародыш новой фазы возникает либо вдоль границ старого зерна, либо в зоне с повышенным уровнем свободной энергии.

Заново сформированные кристаллы первые доработанные кристаллы, котор нужно быть естественно oriented. As в результате полиморфной трансформации образуются новые частицы, которые отличаются по размеру и форме. Происходит резкое изменение свойств материала.

Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией. При нагревании металла до температуры, несколько превышающей температуру полиморфного превращения (критическая точка), получается очень мелкое зерно. Это явление используется в практике термической обработки металлов.

Во время кристаллизации эвтектики Кристалл твердого раствора α, богатого компонентом A, сначала зарождается и растет, а поскольку жидкость, окружающая Кристалл, богата компонентом B2th, Кристалл твердого раствора α и β высвобождается. Поскольку жидкость, прилегающая к образованному β-фазному Кристаллу, богата металлом а, то α-фазный Кристалл, богатый компонентом а, восстанавливается again. as в результате попеременного пересыщения жидкости относительно α-и β-фаз образуется эвтектическая колония.

Процесс кристаллизации эвтектики протекает при постоянной температуре. Это связано с тем, что система инвариантна по закону фазы, в которой одновременно присутствуют 3 фазы определенного состава. Область формируется на кривой охлаждения. 2 фазы кристаллизуются одновременно. После затвердевания сплав состоит из эвтектических кристаллов.

Переэлектрическое преобразование отличается от эвтектического. В ходе предшествующего превращения только 1 фаза кристаллизуется за счет взаимодействия ранее отделенной твердой фазы с жидкой частью сплава определенного состава.
Переэлектрическое преобразование отличается от эвтектического. В ходе предшествующего превращения только 1 фаза кристаллизуется за счет взаимодействия ранее отделенной твердой фазы с жидкой частью сплава определенного состава.

Полиморфное превращение кристаллизационный процесс

Процесс рекурсивного преобразования происходит при постоянной температуре.

Процесс кристаллизации теоретического превращения не заканчивается при температуре, а продолжается и заканчивается по отношению к сплаву, например, в точке, соответствующей temperature. In в случае сплавов, когда температура достигает t3, на линии cde выделяются как α -, так и β-фазовые кристаллы.

В процессе преобразования отражения Альфа-фаза зарождается на поверхности β-Кристалла, обволакивая их и growing. As в результате предэтической реакции образуется твердый раствор, а также нестабильные соединения, которые растворяются в несовместимом, то есть при плавлении состав жидкого расплава не совпадает с составом соединения.

Диаграмма, содержащая эвтектическое или эвтектическое преобразование, указывает на диаграмму состояния сплава, в которой растворимость компонента в твердом состоянии (тип III) равна limited. In в таких сплавах оба компонента бесконечно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии они ограничены в растворимости и не образуют соединений.

Сплавы в которых происходит одновременная кристаллизация

Основным механическим испытанием является определение прочностных характеристик. Способность выдерживать внешние механические нагрузки без недопустимых изменений исходных размеров и формы. В связи с характером применения, тест разделяется на статически и динамически увеличивающийся, когда нагрузка плавно увеличивается на требуемой скорости, и нагрузка действует в виде рывков, толчков.

В статических испытаниях на растяжение, сжатие или изгиб, предел текучести, относительное удлинение при разрыве, относительная деформация при сжатии, модуль упругости и др. определяются, а при динамических испытаниях определяются ударная вязкость и виброустойчивость. Определены твердость, гибкость и пластичность.

Проводятся следующие виды испытаний: пластмассовые, керамические, цементные (двухсторонние лопатки), пластмассовые и компрессионные ламинаты (призмы, цилиндры) на прочность при растяжении, пластмассовые для расщепления, пластмассовые для разрывания, пластмассовые для статического изгиба (стержни находятся в 2 опорах, а центр нагрузки приложен).

Процесс перетектического превращения

Ударная вязкость Шарпи определяется с помощью такой маятниковой отвертки. Производится с помощью бойка и тяжелого маятника. После разрыва образца маятник поднимается до определенной точки. Из-за разницы в начальном и конечном положении, вы найдете энергию удара, потраченную на разрушение. Ударная вязкость — это отношение энергии удара к площади поперечного сечения образца.

Твердость определяется несколькими способами.

Метод бринелла-шарик прижимается с определенной нагрузкой. Чем больше диаметр отпечатка, тем ниже твердость. Величина диаметра отпечатка пальца, измеренная по формуле, определяет величину твердости по Бринеллю.

Метод Роквелла реализует несколько иной метод. Здесь, под постоянной нагрузкой, игла конуса (индентор) нажата, и величина смещения индентора(это характеризует глубину) определяет твердость Роквелла.

Другим популярным методом является измельчение твердых материалов, чтобы поцарапать их.

Это определяет относительную твердость материала.

Реферат на тему	На заказ	Образец и пример
Полиморфные превращения в металлах	Общим свойством металлов и сплавов является кристаллическая структура, которая характеризуется определенным регулярным расположением атомов в space.	To описывается атомно-кристаллическая структура, используется понятие кристаллической решетки.

At на пересечении прямых линий возникают атомы. Они называются узлами решетки.

Количественные характеристики можно получить путем сравнения со многими эталонными материалами, в которых показатели твердости Мооса (алмаз-10, Корунд-9, кварцит-7, известняк-3 и др.) назначаются.

Диаграмма состояния

Твердость пленки определяется маятниковым методом-маятник помещается на пленку, и чем тверже материал, тем дольше маятник будет раскачиваться.

Это виртуальная пространственная сеть, содержащая ионы (атомы) в node.

Упрощенно, пространственные изображения обычно заменяются схемами, в которых центр тяжести частицы представлен.

Благодаря особым свойствам химического соединения на экране отображаются соответствующие ему вертикальные координаты этого соединения. diagram. In эта ордината, точка плавления этого соединения T3 осаждается. Ордината делит диаграмму состояния на 2 части, каждая из которых представляет собой диаграмму состояния простейшего эвтектического типа.

Соединений не являются компонентами, потому что они формируются в результате взаимодействия компонентов а и В. жидкость присутствует, когда пункт 1 будет превышен, и форма кристаллов AmBn и расти, когда точка 1 находится чуть ниже. В точке 2, жидкий раствор с составом Е2 кристаллизуется, образуя эвтектику, состоящую из кристаллов компонента А и соединения AmBn. В результате кристаллизации расплава состава 1 состоит из эвтектики, состоящей из кристаллов компонента AmBn и кристаллов компонента А и кристаллов соединения AmBn. Если соединение нестабильно, то образуется фигура со скрытым максимумом.

Сначала кристаллизуется чистый компонент, а затем кристаллы соединения осаждаются. Взаимодействие 2-х фаз образует 3-ю фазу. То есть, выполняется рекурсивное преобразование.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Полиморфные превращения в металлах.

Металлы и сплавы в зависимости от температуры могут сосуществовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую. Полиморфное превращение происходит в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим уровнем свободной энергии. Показана кривая охлаждения чистого железа и полиморфные превращения в металле.

Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации. В результате полиморфного превращения образуются новые зерна, имеющие другой размер и форму. Происходит скачкообразное изменение свойств материала. Полиморфное превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это явление используется в практике термической обработки металлов.

Кривая ликвидуса – ABCD; кривая солидуса – AHIECF; углерод понижает температуру плавления железа (линия ABC); – железо также понижает температуру плавления углерода (и Fe3C) (V- образная форма диаграммы, D – C); – температура А4 (линия NH) растет c увеличением содержания углерода (линия N – I); – температура А3 (линия GOS) уменьшается с увеличением содержания углерода; – область – твердого раствора расширяется с увеличением содержания углерода.

Э в т е к т о и д н ы й сплав: точка S = 0.83 % С = перлит.

Д о э в т е к т о и д н ы е сплавы: от точки Р к точке S = 0.02 до 0.83 % С = – Fe + перлит.

З а э в т е т о и д н ы е сплавы: от точки S к перпендикуляру из точки Е= от 0.83 до 2,06 % С= Fe3C + перлит.

Э в т е к т и ч е с к и й сплав: точка С = 4.3 % С = ледебурит.

Д о э в т е т и ч е с к и е сплавы : от перпендикуляра из точки Е к перпендикуляру из точки С = от 2.06 до 4.3 % С = Fe3C + перлит + ледебурит.

З а э в т е к т и ч е с к и е сплавы: от точки С к точке F (перпендикуляр); более 4.3% С = Fe3C + ледебурит

Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов. Основными компонентами, из которых состоят стали и чугуны, являются железо и углерод. В системе железо цементит имеются следующие фазы: 1. жидкая фаза, 2. Аустенит- твердый раствор углерода в – Fe. 3. Цементит – карбид железа Fe₃C. 4. Феррит – – Fe .твердый раствор углерода в

Структурными составляющими диаграммы железо – углерод являются:

1. Феррит. Может содержать в твердом растворе только 0.00001 . 0.000001 % С. Поэтому область его существования очень мала (узка). Максимум растворимости около 0.02 % (723 С, точка Р).

2. Перлит. – твердого раствора и Fe3C (ниже точки S). Мелкодисперсная смесь обеих фаз.Эвтектоид, состоящий из Наименование перлит (также предложено Хоу) связано с перламутровым блеском. – твердого раствора связан с выделением при непрерывном охлаждении тонких параллельных цементитных пластин; образуется пластинчатый перлит.Происходящий при непрерывном охлаждении при 723 С эвтектоидный распад

3. Ледебурит. Назван в честь Ледебура. – твердый раствор и Fe3C) и ледебурит II (перлит и Fe3C). – твердого раствора и цементита. Эвтектика (точка С, 4.3 % С). Сплавы, содержащие от 2,06 до 6,67 % С и имеющие в структуре ледебурит являются белыми чугунами. Возможно также следующие обозначение: ледебурит I (Смесь

Формы существования цементита :

– При содержании С более 0.00001 % происходит выделение третичного цементита. При медленном охлаждении процесс идет по линии PQ. При быстром охлаждении часть углерода остается в твердом растворе, выделение третичного раствора подавляется. Форма – пластинки и прожилки, а также иголки в ферритном зерне.

– Цементит перлита. Наблюдается уже при содержании углерода более 0.02 %. Тонкопластинчатая форма зерен цементита.

– Вторичный цементит. твердого раствора. При охлаждении выделение происходит по линии ES. Форма: цементитная сетка, цементит по границам зерен.Продукт выделения из

– Цементит ледебурита. При содержании углерода более 2.06 % – цементит в до- и заэвтектоидных сплавах.

– Первичный цементит. При 4.3 % С; в общем случае появляется при очень быстром охлаждении высокоуглеродистых сплавов до комнатной температуры. Форма: длинные крупные пластины.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Полиморфное превращение – металл

Полиморфные превращения металлов из плотных в ОЦК модификации обусловлены спиновым расщеплением р6 ( сР) – оболочек. [2]

Полиморфные превращения металлов имеют большое значение в технике. Наличие таких превращений позволяет производить различные операции термической обработки железоуглеродистых и цветных сплавов. [3]

Механизм полиморфного превращения металлов можно представить таким образом: в условиях, определяющих термодинамическую устойчивость новой фазы, благодаря флуктуациям энергии или плотности ( концентрации) образуется устойчивый зародыш с новой кристаллической решет-коп. [4]

Температура полиморфного превращения металлов может быть определена путем измерения проводимости электрического тока. [6]

При полиморфных превращениях металлов основное значение имеет температура. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного превращения, и сопровождается тепловым эффектом, подобно явлениям плавление – затвердевание или испарение – конденсация. Это связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. [7]

Это обстоятельство, по-видимому, является причиной полиморфных превращений металлов . [9]

Отсутствие в специальной литературе сводок термодинамических данных для полиморфных превращений металлов приводит зачастую к недоучету влияния аллотропических превращений на показатели равновесия. Это снижает точность расчетов и является причиной существенных расхождений в конечных числовых результатах расчетов отдельных исследователей. [10]

В интерваае температур от комнатной до 1550 10 ванадий имеет кубическую объемноцентрированную структуру. По наблюдениям Сейболта и Симеона [20], при 1550 происходит полиморфное превращение металла , хотя никаких данных о структуре новой фазы эти авторы не приводят. [11]

Каждому полиморфному видоизменению металла свойственны определенное давление пара и зависимость его от температуры, связанная с теплотой сублимации. Устойчивым, очевидно, является видоизменение, обладающее при данных условиях наименьшим давлением пара. Кривые, выражающие зависимость давления пара от температуры для различных полиморфных видоизменений металла, должны пересекаться, а точка их пересечения соответствует температуре, при которой давления пара различных видоизменений металла равны. Это температура перехода одного полиморфного видоизменения в другое или температура полиморфного превращения металла . [12]

Каждой полиморфной модификации металла свойственны определенное давление пара и зависимость ere от температуры, связанная с теплотой сублимации. Устойчивой, очевидно, является модификация, обладающая при данных условиях наименьшим давлением пара. Кривые зависимости давления пара различных полиморфных модификаций металла от температуры должны пересекаться, а точка их пересечения соответствует температуре, при которой давления пара различных модификаций металла равны. Это есть температура перехода одной полиморфной модификации в другую, или температура полиморфного превращения металла . [14]

Процесс образования новой фазы состоит в возникновении ее зародышей и их росте. Образование зародыша требует увеличения поверхностной энергии из-за создания новой поверхности, однако при этом освобождается часть объемной свободной энергии, поскольку кристалл новой фазы обладает меньшей ее величиной. Размер зародыша гс – критический, его рост сопровождается уменьшением свободной энергии; другими словами, только зародыши размером гс могут расти. С понижением температуры или с ростом степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается вследствие увеличения выигрыша свободной объемной энергии при образовании новой фазы. По этой причине скорость превращения с ростом степени переохлаждения должна возрастать. Однако в этих условиях уменьшается диффузионная подвижность атомов, необходимая для образования зародыша новой фазы, поэтому, например, в случае полиморфных превращений металлов скорость превращения по диффузионному механизму сначала растет, а затем убывает. В случае превращения в сплавах составы исходной и образующихся фаз, за исключением мартенситных превращений, отличаются между собой, а для превращения требуются процессы диффузионного перераспределения атомов компонентов, скорость которых резко убывает при снижении температуры. [15]

Полиморфные превращения в металлах

Министерство образования и науки Челябинской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Южно-Уральский многопрофильный колледж»

Раздел 1.СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ……………………….….4

1.1.Строение и свойства металлических материалов………………………………. 4

1.2.Атомно-кристаллическое строение металлов……………………………………5

1.3. Полиморфные превращения в металлах……………………………………….…6

1.4.Анизотропия кристаллов и изотропия кристаллических тел…………………..7

1.5.Идеальное и реальное строение металлических материалов…………………. 8

1.8. Строение слитка спокойной стали………………………………………………15

Раздел 2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………………………16

2.1. Упругая и пластическая деформация……………………………………………16

2.2. Механические свойства и методы их определения……………………………..18

2.3. Методы изучения структуры………………………………………………….…19

Раздел 3. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ………………21

3.2. Диаграммы состояния сплавов…………………………………………………..23

3.3. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния…….27

Раздел4. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА. СТАЛИ И ЧУГУНЫ. ДАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ «ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ»……….…29

4.1.Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)………….….29

Раздел5. ТЕОРИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ…………………………. 37

5.1. Термическая обработка стали……………………………………………………37

5.2. Химико-термическая обработка стали…………………………………………..40

5.3. Легированные стали. Классификация и маркировка…………………………. 41

Раздел 6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ………………………………….44

6.1. Медь и сплавы на основе меди…………………………………………………..44

6.2. Алюминий и сплавы на его основе………………………………………………45

6.3. Титан и сплавы на его основе ……………………………………………………48

6.4. Магний и сплавы на его основе………………………………………………….49

Раздел 7. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ……………………………51

Раздел 8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ…52

8.2. Композиционные материалы…………………………………………………….56

Раздел 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Строение и свойства металлических материалов

Металлы и их сплавы используют для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом.

Металлические материалы подразделяют на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы- цветными.

Свойства металлов разнообразны, но вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

-положительный температурный коэффициент температурного сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов при температурах, близких к абсолютному нулю;

– хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

– кристаллическое строение в твердом состоянии.

Перечисленные свойства характерны не только для чистых металлов, но и для металлических сплавов.

Отмеченные свойства обусловлены электронным строением металлических материалов. В металлах электроны находящиеся на внешних энергетических уровнях, слабо связаны с ядром атома. Они находятся в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ. Такие электроны являются общими для всех атомов. Они свободно перемещаются между положительно заряженными ионами. Электронный газ компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле. Такой тип связи не является направленным и характеризуется высокой энергией.

Металлический тип связи позволяет объяснить основные свойства металлов. Высокая электропроводность объясняется наличием свободных электронов, упорядоченное движение которых во внешнем электрическом поле обеспечивает протекание электрического тока. Высокая теплопроводность обусловлена большой подвижностью свободных электронов. Повышенная способность к пластической деформации объясняется отсутствием направленности металлической связи.

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

ATOMHO-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой — ячейкой, повторяющейся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 2.1).

а а а Рис. 2.1. Кристаллическая решетка с параметрами а, Ь, с

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; их называют узлами решетки. Расстояния a, bи с между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами или периодами решетки. Величина их в металлах примерно 0,1. 0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2. 0,3 нм. На рис. 2.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ), а также схемы упаковки в них атомов. В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 2.2, а). В ГЦК решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 2.2, б).В ГПУ решетке атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 2.2, в).

Рис. 2.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов: а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная решетка

Полиморфные превращения в металлах.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь разную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (например, Fe_α или α-Fe), при более высокой (β, затем γ и т.д).

Известны полиморфные превращения железа: Fe_α↔Fe_γ (α-Fe↔γ-Fe), титана: Tiα↔Ti_γ (α-Ti↔γ-Ti) и других элементов.

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки — происходит перекристаллизация. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво α-железо, в интервале температур 911 о . 1 392 о С устойчиво у-железо. При нагреве выше 911 о С атомы ОЦК решетки перестраиваются, образуя ГЦК решетку. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и, соответственно, объем вещества. Например, плотность γ-железа на 3 % больше плотностиα-железа, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термической обработке.

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 746 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Полиморфные и магнитные превращения в металлах

Некоторые элементы видоизменяют свое кристаллическое строение, т. е. тип кристаллической решетки, в зависимости от изменения внешних условий — температуры и давления. Существование вещества в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий обусловливается его стремлением к состоянию с меньшим запасом свободной энергии. Это явление носит название полиморфизма или аллотропии. Каждый вид решетки представляет аллотропическое видоизменение или модификацию. Каждая модификация имеет свою область температур, при которых она устойчива (табл. 2).

При полиморфных превращениях металлов основное значение имеет температура. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного превращения, и сопровождается тепловым эффектом, подобно явлениям плавление—затвердевание или испарение—конденсация. Это связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.

Несмотря на то, что при аллотропических превращениях межатомные расстояния часто изменяются довольно заметно, атомные объемы и соответственно полные энергии различных модификаций, как правило, различаются мало. Но бывают и исключения. Например, переход из Р- в a-модификацию олова происходит с изменением типа связи от металлической к ковалентной и сопровождается резким изменением объема. Белое металлическое олово превращается в серый порошок, так как температурный коэффициент линейного расширения серого олова в четыре раза больше, чем у белого. Это явление получило название «оловянной чумы».

Разные аллотропические формы одного и того же элемента принято обозначать буквами греческого алфавита а, δ, у и т. д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическую форму, устойчивую при самой низкой температуре, обозначают буквой а, существующую при более высокой температуре δ, затем γ и т. д.

Примером аллотропического превращения, обусловленного изменением давления, является видоизменение кристаллического строения углерода, который может существовать в виде графита и алмаза.

Полиморфизм имеет большое практические значение. Используя это явление, можно упрочнять или разупрочнять сплавы с помощью термической обработки.

Магнитные превращения. Некоторым металлам присуща способность сильно намагничиваться в магнитном поле. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом, что позволяет использовать их для изготовления постоянных магнитов. Это явление впервые было обнаружено на железе и в связи с этим получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, диспрозий, эрбий). При нагреве ферромагнитные свойства уменьшаются постепенно: вначале слабо, а затем наблюдается очень резкое снижение. Выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, они становятся парамагнетиками.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они не имеют температурного гистерезиса. Поэтому магнитные превращения нельзя отождествлять с аллотропическими. Установлено, что при магнитных превращениях происходят изменения в характере межэлектронного взаимодействия.

1. Из за каких внешних условий меняется тип кристаллической решетки металла.

2. Что такое аллотропия вещества

3. Какое практическое применение существует аллотропическим превращениям.

4. Что такое ферромагнетизм

5. Связаны ли магнитные и аллотропические превращения, и почему.

Кристаллизация металлов

При переходе аморфного тела из жидкого состояния в твердое никаких качественных изменений в строении не происходит, что подтверждает монотонный ход кривой охлаждения (рис. 46, а). В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, но только более компактно и вследствие этого имеют более ограниченную свободу перемещения.

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердого состояия в жидкое. Такая же резкая граница существует и при переходе на жидкого состояния в твердое (рис. 46, б).

На участке кривой 1—2 (см. рис. 46, б) внешний подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего спою кристаллическую решетку, атомы в которой увеличивают амплитуду колебания за счет поглощения тепловой энергии. На участке 2—3 подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т. е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки и переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. В точке 3 разрушаются последине участки кристаллической решетки, и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла (3—4).

При охлаждении наблюдается обратный процесс. На участке 5—6 происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит не строго при температуре плавления, а при некотором переохлаждении ∆t, значение которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Чем меньше загрязнен металл включениями, тем больше степень переохлаждения при кристаллизации.

Образование кристаллической решетки сопровождается уменьшением запаса внутренней энергии тела.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии F=U—TS. где F — свободная энергия; U — внутренняя энергия системы; Т — абсолютная температура; S — энтропия. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры для твердого и жидкого состояний схематически показано на рис. 47.

При температуре Т_пл свободные энергии обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации.

Как было отмечено, ни плавление, ни кристаллизация не происходят точно при этой температуре. Например, для начала кристаллизации необходимо переохлаждение до Т₁.

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения ∆Т=Т_ил—Т₁.

Законы кристаллизации

Механизм кристаллизации металла состоит в том, что при соответствующем понижении температуры внутри тигля с жидким металлом начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации или зародышами.

Для начала роста кристаллов из жидкого металла вокруг возникающих центров кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия металла уменьшилась. Если же в результате образования зародыша свободная энергия металла увеличивается, то зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша, а такой зародыш — устойчивым.

Чем больше степень переохлаждения, понижающая свободную энергию металла, тем меньше критический размер зародыша.

Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы (рис. 48). По мере роста кристаллов в металле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжают возникать новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно. Как видно из схемы, поверхности растущих кристаллов соприкасаются, их правильная внешняя форма нарушается, получается произвольной.

Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллами. Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

Как установлено Д. К. Черновым, процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Гораздо позже Тамман, изучая процесс кристаллизации, установил зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и скорости роста кристаллов (с. р.) от степени переохлаждения ДТ (рис. 49).

Размер образовавшихся кристаллов зависит от степени переохлаждения.

1. Какое основное отличие перехода из твердого состояния в жидкое аморфных и кристаллических тел

2. Что такое равновесная температура

3. Как называется разница между фактической температурой кристаллизации и теоретической температурой кристаллизации

4. Опешите механизм кристаллизации жидкого металла

5. Объясните почему при постоянном подводе тепла на участке 2-3 нет увеличения температуры

Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

Образование и рост новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или разных модификациях. Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма.

В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой – β, γ и т. д. Примеры полиморфных металлов приведены в таблице 1.2.

При переходе металла из одной полиморфной модификации в другую происходит фазовая перекристаллизация вследствие образования новых зерен в структуре металла. Можно считать, что процесс перекристаллизации при полиморфном превращении подчиняется тем же законам, что и процесс перекристаллизации. Полиморфное превращение прежде всего развивается в тех участках структуры, в которых уровень свободной энергии повышен. Такими участками являются границы зерен и приграничные области. Чем меньше размер зерна, тем больше межзеренная поверхность и тем больше возникает зародышевых центров. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного превращения.

Кристаллическая структура полиморфных металлов

Металл	Кристаллическая структура	Температура существования модификации, ºС
Титан	ГП ОЦК	До 882 882–1668
Цирконий	ГП ОЦК	До 862 862–1852
Олово	Алмазная ТОЦ	До 13 13–232
Уран	Ромбическая ТОЦ ОЦК	До 663 663–764 764–1130
Кобальт	ГП ГЦК	До 447 477–1490

Переход металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла – при нагреве. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другой характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов).

Рассмотрим явление полиморфизма на примере железа (рис. 1.16). Железо имеет две температуры полиморфного превращения – 1392 ºС и 911 ºС:

В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза) и условий воздействия (температуры, скорости, периодичности и времени приложения) материалы принято характеризовать различными мерами сопротивления их деформации и разрушению – характеристиками механических свойств.

Механические свойства могут быть разделены на три основные группы. Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при однократном кратковременном нагружении. К ним относятся упругие свойства: модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига и коэффициент Пуассона µ.

Сопротивление малым упругопластическим деформациям определяется пределами упругости – σ_УПР, пропорциональности – σ_пц и текучести – σ_0,2.

Предел прочности – σ_В, сопротивление срезу – τ_ср и сдвигу – τ_сдв, твердость вдавливанием (по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу) и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина L_Р являются характеристиками материала в области больших деформаций вплоть до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ после разрыва, а способность к деформации ряда неметаллических материалов – удлинением при разрыве δ_Р.

Кроме того, при ударном изгибе определяется ударная вязкость образца с надрезом КСU (KCV, KCT).

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление материалов переменным и длительным статическим нагрузкам. При повторном нагружении в области многоцикловой усталости определяется предел выносливости на базе 10 7 –2·10 7 циклов. Малоцикловая усталость определяется от многоцикловой условно выбранной базой испытания (N ≥ 5·10 4 циклов) и отличается пониженной частотой нагружения (f = 0,1–5 Гц). Сопротивление малоцикловой усталости оценивается по долговечности при заданном уровне повторных напряжений или пределом малоцикловой усталости на выбранной базе испытаний. Сопротивление длительным статическим нагрузкам определяется, как правило, при температуре выше 20 °С.

Критериями сопротивления материалов длительному воздействию постоянных напряжений и температуры являются пределы ползучести и длительной прочности . Предел длительной прочности определяется при заданной базе испытаний (обычно 100 и 1000 часов), предел ползучести – по заданному допуску на остаточную (обычно 0,2 %) или общую деформацию при установленной базе испытаний.

Третью группу составляют характеристики разрушения. В инженерной практике эти характеристики используются сравнительно недавно.

Характеристики разрушения определяются на образцах с заранее выращенными начальными трещинами и оцениваются следующими основными параметрами: вязкостью разрушения, критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плоской деформации К_1С, условным критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плосконапряженном состоянии К_С, удельной работой образца с трещиной КСТ и скоростью роста трещины усталости СРТУ при заданном размахе интенсивности напряжений ΔК.

Практически все механические свойства (кроме упругих) в большей или меньшей степени структурно-чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уровень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения в продольном направлении относительно оси деформации зерен материала обычно выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например титановых, сплавов характерна «обратная» анизотропия. Наблюдается значительная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у большинства магниевых деформируемых сплавов (σ_{0,2 СЖ} 3 ·К), характеризующей изменение объемной концентрации тепла при нагреве (или охлаждении) на 1 градус.

Некоторые технологические способы (литье, некоторые виды сварки) связаны с изменением агрегатного состояния вещества. Для того чтобы расплавить металл, нагретый до температуры плавления, необходимо затратить определенное количество тепловой энергии. Для кристаллизации жидкого металла при температуре кристаллизации необходимо отвести такое же количество тепла.

Количество тепла, необходимое для расплавления единицы массы металла при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления L (Дж/кг).

Еще одной из характеристик теплопроводности сплава или металла является коэффициент теплопроводности, который равен количеству теплоты, протекающему за единицу времени через единицу поверхности при перепаде температур в 1 градус на единицу длины λ (Вт/(м·К)).

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры. Для сталей, как правило, с увеличением температуры он уменьшается, но могут быть и другие зависимости: сначала рост, затем уменьшение. Однако при тепловых расчетах и удельную теплоемкость, и коэффициент теплопроводности считают постоянными, не зависящими от температуры.

С изменением температуры твердых и жидких тел изменяются их размеры и объем. Величина этих изменений характеризуется коэффициентом линейного расширения: α = (1/t)(l_t – l₀)/l₀ и коэффициентом объемного расширения:
β = (1/t)(v_t – v₀)/v₀.

При нагревании тел происходит изменение их плотности, которая зависит от величины коэффициента объемного расширения.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным видам горячей и холодной обработки. Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Показатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях. Литейные свойства зависят от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.

Ковкость–способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под действием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности от температуры нагревания и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются параметры режимов резания и качество поверхностного слоя.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатационными или служебными характеристиками материалов, применяемых для ее изготовления. В зависимости от условий эксплуатации и рабочей среды кроме высокой прочности к машиностроительным материалам могут предъявляться и другие требования: жаропрочность, т. е. сохранение высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионная стойкость при работе в различных агрессивных средах; повышенная износостойкость, необходимая, если детали в процессе работы подвергаются истиранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности с керамикой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания технологичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характеристики.

Деформации и напряжения

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения напряжений через произвольную точку тела мысленно проводится сечение (рис. 2.1) и отбрасывается одна из половин тела. Действие отброшенной половины на другую половину заменяют внутренними силами.

В малом элементе сечения площадью dS в окрестности произвольной точки А действует произвольно направленная внутренняя сила dF. Отношение
р = dF/dS называется вектором напряжения в точке А по площадке dS. Составляющие вектора напряжения, действующие по нормали к площадке, обозначаются σ и называются нормальными напряжениями, а действующие вдоль площадки – касательными напряжениями τ в точке А по площадке dS, причём
σ 2 + τ 2 = р 2 .

Рис. 2.1. Схема замены внешних сил
на внутренние напряжения

В общем случае напряженное состояние тела в точке А характеризуется совокупностью всех векторов напряжений для всевозможных сечений (площадок, проходящих через точку А), а значит, и для любого направления. Напряженное состояние в точке А может быть определено с помощью тензора напряжений и характеризуется девятью компонентами по трем осям координат (три нормальных и шесть касательных). Касательные напряжения попарно равны (τ_ху = τ_ух, τ_хz = τ_zх, τ_уz = τ_zу), т. е. остается всего шесть компонентов.

Т_н = .

Для тензора характерным является закон, по которому преобразуются его компоненты при повороте осей координат. При повороте системы координат можно отыскать такое ее положение, когда касательные напряжения будут равны нулю. Эти направления называют главными.

Главные направления тензора напряжений определяются условием, зависящим от трех инвариантов I₁, I₂, I₃.

Первым инвариантом I₁ тензора напряжений является сумма нормальных напряжений:

Среднее значение трёх нормальных напряжений называют гидростатическим давлением:

Гидростатическому давлению соответствует тензор напряжений, нормальные компоненты которого равны σ₀, а касательные – нулю. Поскольку гидростатическое давление не вызывает в металле пластических деформаций, его исключают из системы напряжений. Оставшуюся часть тензора называют девиатором напряжений S_σ:

Второй инвариант I₂ тензора напряжений определяется следующим выражением:

Величины, пропорциональные корню квадратному из второго инварианта девиатора напряжений, называют интенсивностью касательных напряжений τ_i и интенсивностью нормальных напряжений σ_i:

, .

Напряжения в материале могут возникнуть при физико-химических процессах, при неравномерном распределении температуры (при нагреве и охлаждении металла), а также вследствие фазовых превращений при термической обработке. При этом напряжения, возникающие в объеме всего тела, называют макронапряжениями (или напряжениями Ι рода), а напряжения, возникающие в объеме одного зерна, называют микронапряжениями (или напряжениями ΙΙ рода). Напряжения, возникающие в объемах порядка нескольких параметров кристаллической решетки, называются субмикроскопическими (или напряжениями ΙΙΙ рода). Деформациями называют изменения формы или размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, а также при нагревании или охлаждении и других воздействиях, вызывающих изменение относительного положения частиц тела (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема деформации:

а – линейная деформация; б – угловая деформация

С геометрической точки зрения деформированное состояние в точке описывается тензором деформации:

Компоненты характеризуют линейные деформации волокон, расположенных по осям x, y, z, – относительные удлинения (или относительные укорочения),а компоненты – углы поворота двух взаимно перпендикулярных до деформации волокон.

Для компонент деформаций сдвига справедливы равенства:

, , ,

При повороте системы координат все компоненты тензора деформации преобразуются по определенным линейным относительно направляющих косинусов соотношениям. В теории деформации и линейных преобразований доказывается, что из всех возможных направлений осей координат существует тройка взаимно перпендикулярных направлений (главных направлений), относительно которых все сдвиговые компоненты деформации равны нулю. Главные направления деформаций определяются тремя скалярными величинами, не зависящими от положения системы координат и поэтому называемыми инвариантами.

Первый инвариант используется для записи условия постоянства объема деформируемого металла:

= 0.

Второй инвариант тензора деформации имеет вид:

I₂ = .

Величина, пропорциональная корню квадратному из второго инварианта, называется интенсивностью деформаций и используется для характеристики деформаций в общем случае деформированного состояния.

Простейшие схемы деформирования – растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб. Первые две схемы (растяжение и сжатие) могут быть описаны только линейными компонентами, вторые (сдвиг, кручение, изгиб) – только сдвиговыми (угловыми).