Введение в материаловедение

Наибольший применение у неорганических стекол. Основной химический состав конструкционных стекол: двуокись кремния и алюминия с добавками ангидридов бора, фосфора и двуокисей металлов - титана, ванадия и циркония. Среди машиностроительных материалов наибольшее применение получили безосколочные, тугоплавкие, термостойкие и упрочненные стекла. Неорганическое стекло, получаемое при застывании минерального расплава в результате непрерывного увеличения его вязкости, в отличии от других материалов имеет макроскопическое изотропное аморфное строение, в той или иной мере прозрачно и обладает механическими свойствами твердого тела. Тонкое исследование строения стекол свидетельствует о их микронеоднородной структуре. Стекло по сравнению с кристаллическим веществом не имеет определенной точки плавления; будучи нагретым, оно постепенно размягчается, переходя из твердого хрупкого состояния в высоковязкое, и затем в жидкое (стекломассу). При понижении температуры вязкость стекла непрерывно возрастает и происходит обратный переход в твердое хрупкое состояние.

 

 
Рис. 11. Зависимость свойств стекла от температуры.

 

В интервале температур Tg - Tf свойства стекла скачкообразно изменяются. Стекло относится к термодинамически неустойчивым системам. При температуре Tg стекло склонно к кристаллизации.  
Металлические стекла по химическому составу состоят из металлов и элементов аморфитизаторов, в качестве которых используют бор, углерод, кремний, азот и другие в количестве до 30%. Аморфное состояние металла достигается сверхбыстрым охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния.

Основным методом получения  МС является закалка из жидкого состояния, фиксирующая структуру расплава. Особенностью МС является сочетание  высокой твердости и прочности, наряду с высокими упругими свойствами. Например, у обычных стекол крайне высокая твердость и относительно низкая прочность. МС можно штамповать, резать и прокатывать. Аморфное состояние  МС является метастабильным. При температурах отжига, превышающей (0.4-0.65) Тпл материал кристаллизуется.

Пластические массы в большинстве  случаев аморфные тела. Изменение  свойств с температурой происходит также как у неорганических стекол рис.11. Существует три различных  аморфных состояния - стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее; и две температуры, при которых свойства пластмасс резко изменяются. Тс - температура стеклования и выше ее температура вязкотекучего состояния -Тт. Пластические массы кристаллизуются при длительных отжигах и деформационных процессах по механизму ориентации полимерных цепей и или звеньев в одной плоскости или направлении. 

Аморфные материалы являются перспективными машиностроительными материалами. МС применяются для изготовления пружин. Стекла - для изделий с оптическими свойствами. Пластические массы как конструкционные материалы. Применение аморфных материалов в основном сдерживается их узким и низким температурным интервалом эксплуатации.

 
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 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.

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.

 

 

Жидкие кристаллы.

Жидкокристаллическое состояние - это термодинамически устойчивое агрегатное состояние состояние, при котором вещество сохраняет анизитропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. 

Существует ряд соединений, преимущественно  органических, обладающих таким комплексом свойств. Например, сложные ароматические  эфиры - производные транс-циклогексана, фенилбензоаты; азотметины; азосединения и т.п.

Жидкие кристаллы обладают аллотропическими превращениями, которые не изменяют их жидкого состояния. Превращения  наблюдаются при воздействии  электромагнитного поля, изменения  температуры и давления, и других физических воздействиях. Свойства их также как и у твердых тел  скачкообразно изменяются. Жидкие кристаллы  используются как оптоэлектронные  индикаторы, и материалы комбинированных  стеклянных конструкций, где требуется  резкое изменение оптических свойств  системы, при внешних воздействиях.

Жидкокристаллическое состояние  и его уникальные свойства обусловлены  способностью некоторых органических молекул, агрегатироваться с другими молекулами, частично создавая упорядоченные структуры - сенергировать. По своей практической значимости особое место занимают нематические жидкие кристаллы, отличающиеся от прочих типов жидких кристаллов одноосной упорядоченностью, при которой молекулы выстраиваются таким образом, что их длинные оси параллельны друг другу.

 

 

 

ГЛАВА 3.

 

Строение  и свойства типовых двухкомпонентных сплавов.

Строение и свойства типовых  двухкомпонентных сплавов определяются типом твердого раствора. При образовании  твердых растворов электрическое  сопротивление, твердость возрастают, а теплопроводность, пластичность - обычно падают. Рассмотрим наиболее важные из них. Твердый раствор внедрения. Чем больше поры и меньше атом внедрения, тем легче само внедрение. Рис. 13. Твердый раствор замещения. Он может  быть ограниченным и неограниченным. Последние образуются у изоморфных металлов, незначительно отличающихся по размерам атомных радиусов (8-10%), близких к друг другу в таблице Д.И. Менделеева. Чем больше разница в элементах, тем меньше растворимость. Рис. 14. Неупорядоченные и упорядоченные твердые растворы. В обычных твердых растворах атомы растворенного элемента располагаются в решетке растворителя беспорядочно. При определенных условиях - медленном охлаждении, способствующем диффузии, атомы занимают определенные места в решетке растворителя. Процесс называют упорядочением.

Рис. 15.1. и 15.2. Если два компонента не способны к взаимному растворению  в твердом состоянии и не образуют химического соединения, создается  механическая смесь. Сплав будет  состоять из кристаллов каждого компонента. Рис. 16. Твердые растворы на базе химического  соединения. Рис.17. Здесь сохраняется  решетка соединения, при этом часть  атомов решетки растворителя заменяется атомами растворяющегося элемента или возникают не занятые узлы (растворы вычитания). В сплавах существуют электронные соединения - фазы Юм-Розери, Лавеса и внедрения.

 

 

Электронные соединения - фазы Юм-Розери образуются между металлами из следующих основных групп: Cu, Ag, Au, Fe, Pd, Pt, c одной стороны , и Be, Zn Cd, Al, Sn, Si - с другой. Характеризуются определенным соотношением валентных электронов к числу атомов(3/2 - ОЦК -β фаза; 21/13- сложная кубическая ячейка с 52 атомами на ячейку γ- фаза и 7/4 - гексагональная решетка ε- фаза), причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Фазы Лавеса - устойчивые химические соединения с ионным типом связей образуются преимущественно между элементами различной природы и с существенно различными атомными размерами.

Если атомные размеры различаются  мало, то появляется тенденция к  образованию электронных соединений. Эти фазы со стехеометрической формулой АВ2 образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся приблизительно в соотношении 1:1.2. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах. Фазы внедрения образуют металлы переходных групп с металлоидами, имеющими малый атомный радиус (водород, азот, углерод), если их обратное отношение радиусов, меньше 0.59. Эти фазы удовлетворяют условиям характеризующим, химическое соединение (М4Х, М2 Х и МХ). Карбиды и нитриды, встречающиеся в стали являются фазами внедрения.

 
Понятие о  физико-химическом анализе.

Физико-химический анализ материалов проводится для детального изучения свойств. Результаты его обычно выражаются в графической форме, иллюстрирующей зависимость показателей от химического  состава. К физико-химическому анализу  принадлежат резистивный метод, магнитного резонанса, термический анализ. В материаловедении результаты физико-химического анализа объединяют с результатами структурных исследований. Широко распространен термический анализ, применяемый для обнаружения критических точек стали и сплавов, построения диаграмм состояния.

 

Рис.18 Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом.

1-печь 2-тигель 3-расплав 4-термопреобразователь 5-милливольтметр.

 
Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Диаграммы состояния показывают изменение  состояния в зависимости от температуры  и концентрации. Давление во всех случаях  постоянно, а скорость охлаждения достаточно мала для протекания всех процессов. Фактор времени таким образом исключается. Диаграммы (равновесного) состояния строятся экспериментально по термическим кривым. Рис. 19.

 

Рис. 19. Построение диаграммы состояния  Cu-Ni по термическим кривым. На рис. L - жидкий расплав; α - твердая фаза из кристаллов Cu-Ni переменной концентрации; cad - линия ликвидуса; cbd - линия солидуса. Линия mn, соединяющая состав, находящийся в равновесии называется канодой.

 

В интервале температур ab выпадают кристаллы твердого раствора переменной концентрации. Состав выпадающих кристаллов показывает линия солидуса, состав оставшегося жидкого раствора линия ликвидуса. Сначала выпадают кристаллы, богатые никелем, как более тугоплавкие; в конце затвердевают кристаллы, богатые более легкоплавкой медью. В процессе затвердевания непрерывно происходит диффузия, которая стремится выравнить состав. Однако в реальных условиях она не успевает завершиться. После окончательного затвердевания всего сплава имеется неоднородность - ликвация (дендритная, междендритная, зональная). 
Применение правила отрезков.

Правило отрезков или правило рычага применяется для определения  количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при  данной температуре. Согласно этому  правилу для определения весового или объемного количества твердой  фазы необходимо взять отношение  длины отрезка, примыкающего к составу  жидкой фазы, к длине всей каноды. Для определения количества жидкой фазы берется отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, к длине каноды. Ф. 7 и 8. Рис. 19.

a = [ ( t1m ) / ( mn) ] * 100 % (7) Ж = [ ( t1n ) / ( mn ) ] * 100 % (8)

Правило отрезков применимо не только к кристаллизующимся сплавам, но вообще ко всем двухфазным сплавам  независимо от их агрегатного состояния.

 
Внутрикристаллическая ликвация.

В результате неравновесной кристаллизации химический состав образующегося кристалла  по сечению оказывается переменным. Оси первого порядка, образующиеся в начальный момент кристаллизации, обогащены более тугоплавким  элементом. Периферийные слои кристалла  и межосные пространства, кристаллизующиеся  в последнюю очередь, будут обогащены  компонентом, понижающим температуру  плавления сплава, и их состав близок к концентрации, соответствующей  исходной концентрации сплава. Такая  неоднородность состава сплава внутри кристалла называется внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация устраняется отжигом при  температурах, обеспечивающих достаточную  скорость диффузии.

 

 

 

ГЛАВА 4.

 

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