Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам




НазваниеКурс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам
страница3/24
Дата публикации13.08.2013
Размер2.37 Mb.
ТипДокументы
shkolnie.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

^ Диффузия в металлах и сплавах.



Диффузия – перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.

Самодиффузия – переход атомов металла из узла кристаллической решётки в соседний или межузлие под действием теплового возбуждения.

Механизмы диффузии (самодиффузии):

  • обменный;

  • циклический;

  • межузельный;

  • вакансионный и др.

Однако реализуется тот механизм диффузии (самодиффузии), при котором окажется наименьшей величина энергетического барьера (энергии активации), преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решётки, которые облегчают диффузионные переходы.

Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами.


    1. ^ Жидкие кристаллы



Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой (в основном органические вещества, у которых молекулы имеют удлинённую форму). Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого кристалла часто называют точкой просветления.
По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса:

  1. нематические – молекулы выстроены в цепочки;

  2. смектические – молекулы образуют параллельные слои;

  3. холестерические – молекулы размещаются по пространственной спирали.


Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путём слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов, а в смеси с красителями в цветовых устройствах.
На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отражённого света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации – калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.

    1. ^ Структура полимеров, стекла и керамики.



Полимерами – называют вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов – звеньев (мономера). Мономеры объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентной связью. В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют:

  • термопластичные;

  • термореактивные.


Термопластичные полимеры способны многократно размягчатся при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств.
Термореактивные полимеры при нагреве остаются твёрдыми вплоть до полного термического разложения.

В зависимости от свободного объёма полимерное вещество находится в одном из физических состояний:

  • стеклообразном;

  • высокоэластичном;

  • вязкотекучем;

Различие между физическими состояниями полимеров наглядно проявляется при деформировании.
В стеклообразном состоянии – у полимера под нагрузкой упругая деформация не превышает нескольких процентов и падает до нуля при снятии нагрузки.
^ В высокоэластичном состоянии – полимер под нагрузкой может достигать деформации до 500 – 800%. После снятия нагрузки макромолекулы возвращаются к равновесным формам, и поэтому высокоэластичная деформация обратима.
^ В вязкотекучем состоянии – полимер ведёт себя как вязкая жидкость. Главную часть деформации составляет необратимое вязкое течение. Течение прекращается после прекращения действия нагрузки, и вязкая жидкость сохраняет полученную форму.

Стекло представляет собой аморфное вещество, образующееся при сплавлении оксидов или безоксидных соединений. Основу стекла образует объёмная сетка из однородных структурных элементов. Структура аморфного стекла возникает при охлаждении стеклянной массы, когда повышение её вязкости препятствует кристаллизации.

Основную массу промышленных стёкол составляют силикатные стёкла с добавками других оксидов. В силикатных стёклах атомы соединяются ковалентно-ионными связями; в объёмную сетку кроме кремния и кислорода входят также алюминий, титан, германий, бериллий; ионы щелочных и щёлочно-земельных металлов размещаются в ячейках этой сетки. Усложнение химического состава силикатных стёкол приводит к изменению их свойств, в том числе и света, и является причиной структурной неоднородности.

Керамикой называют материалы, полученные при высокотемпературном спекании минеральных порошков. Характерной особенностью керамических материалов является хрупкость.

Пористую керамику используют в качестве огнеупорных материалов, фильтров, диэлектриков в электротехнике. Более прочную плотную керамику применяют для некоторых деталей машин.

Ситаллы или стеклокристаллические материалы получают из стёкол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации.

Фотоситаллы применяют как фоточувствительные материалы.

Термоситаллы имеют универсальное применение: как износостойкие материалы используются для деталей гидромашин, узлов трения, защитных эмалей; как прочные стабильные диэлектрики - для радиодеталей, плат и т.п.

^ Формирование структуры литых материалов


Переход металла из жидкого состояния в твёрдое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образования новых кристаллов в твёрдом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременных процессов:

  • зарождение кристаллов;

  • линейный рост кристаллов;


Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или зарождаться и расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (несамопроизвольная кристаллизация).


  1. ^ Самопроизвольная кристаллизация (гомогенная)


Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G , характеристика свободной энергии системы. Второй закон термодинамики – любая система всегда стремится занять то состояние, чтобы она обладала min свободной энергией.

Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества как в твёрдом, так и в жидком состояниях равны, называется равновесной температурой (термодинамической температурой) ТG.
G = Е – ТS + РV (по Гельмгольцу)
где G – термодинамический потенциал, свободная энергия системы,

^ Е – внутренняя энергия системы,

Т – термодинамическая температура

S – энтропия (функция состояния: порядка и беспорядка, связанное с

поступательным и колебательным движением),

^ РV – работа внешних сил (давление на объём)


G = Н – ТS (по Гиббсу)
где Н – энтальпия (Е + РV) сумма работ внутренних и внешних сил.

Поскольку жидкий металл с присущим ему ближним порядком в расположении атомов обладает большей внутренней энергией, чем твёрдый со структурой дальнего порядка, при кристаллизации выделяется теплота.

Разница между равновесной (ТG.) и реальной (Тр) температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения (Δ Т). При переохлаждении жидкости некоторые группировки атомов, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способны к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т.е. отклонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения.
Появление зародышей изменяет термодинамический потенциал (свободную энергию) всей системы. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал G уменьшается (-), с другой стороны, он увеличивается (+) вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем.

Суммарное изменение Δ Gобщ определяется:
Δ Gобщ = - 4/3 π r3 Δ Gv + 4 π r2γ Δ Gs
где r – радиус образовавшихся зародышей,

4/3 π r3объём зародыша (шара), см3,

4 π r2 – поверхность зародыша (шара), см2,

γ – удельное поверхностное натяжение на границе кристалл + жидкость

Дж/см2 (Н/м),

- Δ Gv – изменение термодинамического потенциала с образованием

зародышей,

+ Δ Gs - изменение термодинамического потенциала с образованием

поверхности раздела.

^ Критический размер зародыша rкр, т.е. когда он будет устойчивым и начнёт расти, определяют следующим образом – первая производная от Δ Gобщ по r и прировнять к нулю.
Кинетика кристаллизации. Скорость образования зародышей, образующихся в единицу времени в единице объёма (1мм-3с-1); скорость роста – увеличением линейных размеров растущих кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещением атомов и зависят от температуры (степени переохлаждения Δ Т).


При небольших степенях переохлаждения Δ Т, когда велик зародыш критического размера rкр, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью или в подогретую металлическую форму.

Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенки отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.


  1. ^ Несамопроизвольная кристаллизация (гетерогенная)



В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующих структур в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами являются:

    • тугоплавкие частицы неметаллических включений;

    • оксиды;

    • интерметаллические соединения, образуемых примесей.


Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размеров кристаллов при затвердевании металла. В жидком металле могут присутствовать и растворённые примеси, которые также вызывают измельчение структуры.

Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла. ^ На практике для измельчения структуры металла и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед заливкой специальных добавок - модификаторов (бор в сталь, натрий в алюминий и его сплавы). Подстуживание металла перед заливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьшению размера зерна.



  1. Форма кристаллов и строение слитка


Форма и размер зёрен, образующихся при кристаллизации, завися:

  • скорости и направления отвода тепла;

  • температуры жидкого металла;

  • содержание примесей.


Рост зёрен происходит по дендритной (древовидной) схеме. Установлено, что максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. Их рост преимущественно в направлении, обратном отводу тепла.

Структура слитка зависит от многих факторов:

  • количество и свойства примесей в чистом металле;

  • количества легирующих элементов в сплаве;

  • температуры разливки сплава;

  • скорости охлаждения при кристаллизации и т.д.


Типичная структура слитка сплавов состоит из трёх зон:

  • мелкие равноосные кристаллы на поверхности слитка, из-за большой степени переохлаждения;

  • столбчатые кристаллы, наиболее благоприятно ориентированные по отношению к теплоотводу, расположенные нормально к стенкам формы;

  • равноосные кристаллы больших размеров в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленного отвода тепла.


Применяя различные технологические приёмы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще.

Структура, состоящая из одних столбчатых кристаллов, называется транскристаллитной. Встречается у слитков очень чистых металлов.
Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Например, в слитках стали по направлению от поверхности к центру и снизу в вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства сплава. В реальных сплавов кроме зональной встречаются и другие виды ликвации.


^ 4. Аморфное состояние металлов
При сверхвысоких скоростях охлаждения (106 оС/с) из жидкого состояния диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случаи при затвердевании образуется аморфная структура (аморфные сплавы или металлические стёкла).

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой (особенно физических свойств). Удельное электрическое сопротивление аморфных металлов 2 -3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической структурой.

Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твёрдость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов виде лент, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.

В настоящее время аморфная структура получена у более чем 20 чистых металлов и полупроводниковых материалов и более 110 сплавов. Это сплавы легкоплавких, редкоземельных и переходных металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называемые аморфообразующие элементы. При этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле М80 Х20, где М – один или несколько переходных металлов; Х – элементы, для образования и стабилизации аморфной структуры.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

Похожие:

Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconТехнология сбис курс лекций. Объем 36 часов. Составитель: доцент коф петрГУ
Преимущества кремниевой технологии. Требования к кремнию как к материалу для микроэлектронной промышленности
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Валерий Васильевич Вандышев Уголовный процесс. Курс лекций...
В 17 Уголовный процесс. Курс лекций. — Спб.: Питер, 2002. — 528 с. — (Серия «Учебники для вузов»)
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций по предмету “Материаловедение и ткм”
Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на. 48
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconЛекция психосексуальное развитие. Возрастная динамика взаимоотношения полов 15
Основы семейной психопедагогики (курс лекций) / В. И. Короткий. — Архангельск: М'арт, 2003. — 178 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва издательство "юридическая литература" 1997
Атаманчук Г. В. Теория государственного управления. Kvpc лекций — М.: Юрид лит., 1997. — 400 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Харьков 2002 Рецензенты: директор Института социальных...
Курс лекций по истории политических и правовых учений подготовлен в соответствии с программой данной дисциплины, с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconНа научно-образовательный материал «Курс видео-лекций по дисциплине...
Рассматриваемый курс видео-лекций может быть использован в системе повышения квалификации специалистов электроэнергетического профиля,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconУтверждаю: Ректор университета, В. А. Колесников “ 5“
Преподавание курса осуществляется на 4-ом или 5-ом семестрах при общем объеме, равном 102 часам, который включает 16 часов лекций,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва инфра-м 2002 Кононенко Б. И. Основы культурологии: Курс лекций. М.: Инфра-м
В нем в доступной форме раскрываются и выделяют­ся шрифтовой гаммой основные категории и пеня;!' I, что позволит сту­дентам быстро...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconПрограмма элективного курса
Курс «История сословий в России» рассчитана на 17 часов для изучения в 10 классе профильной школы. Он охватывает период с IX до конца...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница