Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
"Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"
Энергетический факультет
Реферат
"Электротехническое и конструкционное материаловедение"
Кулиш Александр Сергеевич
Славгород - 2019
Кристаллическое и аморфное строение материалов
По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании (при постоянном давлении) имеют определенную температуру плавления. А аморфрные размягчаются и постепенно перходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например, при получении стеклокристаллического материала- ситалла.
Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификации (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).
Кристаллическое строение материалов
Модель идеальной (совершенной) структуры кристалла
· объясняет упругие и оптические свойства
· электро- и теплопроводность
обусловлены коллективным взаимодействием электронов с полем, создаваемым ионами.
Модель неидеальной (дефектной) структуры
· объясняет упрочнение материалов
· структурные изменения при термической обработке и др.
В 1848 г. О. Бравэ - кристаллические решетки кристаллов построены из закономерно расположенных в пространстве точек (узлов), где расположены атомы.
Точки периодически повторяются в определенных направлениях через равные промежутки - трансляции.
Элементарная ячейка - параллелепипед, построенный на трех элементарных некомпланарных трансляциях.
Кристаллическая решетка - математическая абстракция, кристаллическая структура образуется, когда с каждой точкой решетки одинаковым образом связан базис.
решетка + базис = кристаллическая структура.
14 решеток Браве, отличающихся кристаллографической симметрией (сингонией) и типом размещения дополнительных атомов
В примитивных элементарных ячейках (обозначают символом Р) атомы одного типа находятся только в узлах.
1. триклинная сингония представляет косоугольный параллелепипед;
2. моноклинная - параллелепипед с одним косым углом;
3. ромбическая - параллелепипед по форме напоминает спичечный коробок
4. тригональная (символ R) - ромбоэдр - куб, вытянутый (сжатый) вдоль пространственной диагонали;
5. тетрагональная - параллелепипед в виде вытянутого куба;
6. гексагональная - три параллелепипеда с основанием в форме ромба;
7. кубическая - куб.
Кроме того - 7 типов ячеек - атомы расположены не только в узлах, но на гранях и внутри ячейки.
· базоцентрированные решетки (обозначают символом С) имеют по дополнительному атому в центрах пары
· противоположных граней;
· объемноцентрированные (символ I) - атом в центре ячейки;
· гранецентрированные (символ F) - атомы в центре каждой грани.
Аморфное строение материалов
Аморфное состояние - твёрдое состояние вещества, обладающее двумя особенностями: его свойства (механические, тепловые, электрические и т. д.) в естественных условиях не зависят от направления в веществе (изотропия); при повышении температуры вещество твердые аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно, т. е. у таких тел отсутствует определённая точка плавления.
Обычно, твёрдые тела имеют кристаллическую структуру, возникающую при кристаллизации расплава. Однако в зависимости от свойств молекул, кристаллизации может потребовать больше или меньше времени - молекулы должны успеть при охлаждении вещества выстроиться в кристаллический порядок. Поэтому обычно аморфное состояние формируют сверхбыстрым охлаждением их жидкого состояния. Скорость охлаждения может достигать !06 град/с. Существуют и другие способы аморфизации, в частности, в твердых фазах.
Но в некоторых случаях скорость охлаждения может быть и не столь высокой. Например, расплавляя кристаллический кварц и затем быстро охлаждая расплав, получают аморфное кварцевое стекло. Таким же образом ведут себя многие силикаты, которые при охлаждении дают обычное стекло. Поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным состоянием. Однако чаще всего даже самое быстрое охлаждение недостаточно быстро для того, чтобы помешать образованию кристаллов. В результате этого большинство веществ получить в аморфном состоянии. В настоящее время не удается. Отметим, что аморфную структуру имеют янтарь,, смолы, природные, битумы. В аморфном состоянии могут находиться и вещества, состоящие из длинноцепочечных макромолекул - высокомолекулярные соединения, или полимеры.
Аморфные сплавы часто обладают уникальными свойствами, не встречающихся у обычных кристаллических. Например, аморфные сплавы системы Fe-Si-B могут иметь высокую прочность и вязкость и поэтому из этих сплавов целесообразно изготавливать армирующие материалы, пружины, проволоки. Высокая коррозионная стойкость характерна для многих аморфных сплавов, в частности, Fе 45Сr25Мo10Р 13С 7, поэтому их них нужно изготавливать изделия для работы в агрессивных средах. Высокая магнитная проницаемость и низкая коэрцитивная сила сплавов типа Finemet (сплавы Fe-Co-Si-Nb-Cu-B) обуславливает их применение для изготовления, например, магнитных головок и магнитных экранов. Конечно, имеются и другие перспективные направления применения аморфных сплавов, о которых читатель может узнать самостоятельно.
Кристаллизация жидкостей. Гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов.
Кристаллизация жидкостей.
Процесс преобразования, а точнее, перехода вещества из субстанции жидкости в состояние твердого тела называется кристаллизация. Наиболее ярким примером подобной химической реакции является лед. Результат процесса называется кристаллом.
Чтобы запустить процесс, в растворе, над которым производится опыт, необходимо создать состояние перенасыщенности. Фазовый переход жидкости протекает следующим образом:
1. Меняется уровень температуры жидкости.
2. Удаляется часть растворителя.
3. Происходит комбинирование двух предыдущих действий.
4. Из получившихся расплавов происходит процесс кристаллизации.
Гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов вокруг этих центров.
Первый процесс может идти двумя путями: гомогенным и гетерогенным. Гомогенное зарождение кристаллов связано с флуктуационным образованием зародышей в случайных участках объема чистого расплава металлов. кристаллизация аморфный материал
В реальных расплавах такое зародышеобразование происходит крайне редко, так как в них встречаются нерастворимые частицы (оксиды, нитриды и др.), являющиеся центрами зародышеобразования. Кристаллизация с гомогенным образованием зародышей носит название гомогенной кристаллизации.
Нерастворимые частицы расплава или стенки литейной формы являются готовыми центрами зародышеобразования. Зарождение кристаллов на готовых центрах или подложках называют гетерогенным, а кристаллизацию с неоднородным зародышеобразованием технически чистых металлов - гетерогенной. Гетерогенное образование зародышей на готовой подложке энергетически выгодно, т.к. поверхностная свободная энергия Fпов системы уменьшается, потому что имеется исходная граница между подложкой и зарождающимся кристаллом, т.е. нет необходимости формировать новую поверхность. Следовательно, зарождение на готовой поверхности характеризуется меньшим приростом межфазной поверхностной энергии и, соответственно, характеризуется меньшей работой образования критического зародыша. Поэтому в реальных металлических расплавах главную роль играет гетерогенное зарождение кристаллов.
Виды сплавов
Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.
Стали и чугуны - сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали- Cr, V, Ni, а чугун - Si.
Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.
Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.
В зависимости от формы содержания углерода в чугуне - цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.
Области применения чугунов обширны - из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.
Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20-36% Zn - желтой (альфа-латунью).
Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы. Так, сплав, содержащий 1/3 свинца и 2/3 олова - третник (обычный припой) используется для пайки трубо- и электропроводов, а сплав, содержащий 10-15% свинца и 85-90% олова - пьютер, ранее применялся для отливки столовых приборов.
Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные - Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны. Сплавы на основе алюминия нашли применение для изготовления легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.
Диаграмма состояния железо-углерод
Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) - это графическое отображение фазового состава и структуры сплавов в зависимости от концентрации углерода и температуры.
Термическая обработка стали. Закалка
Термическая обработка стали
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
Технология термической обработки стали - это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Закалка
Закалку сталей применяют для:
Повышения:
· твердости;
· прочности;
· износоустойчивости;
· предела упругости;
Снижения:
· пластичности;
· модуля сдвига;
· предела на сжатие.
Суть закалки - это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.
Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.
Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:
· вода;
· соляные растворы на основе воды;
· техническое масло;
· инертные газы.
Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.
Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от - 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.