Теория строения материалов: Рабочая программа, задания на контрольные работы

Министерство образования Российской Федерации СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий

ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Рабочая программа Задания на контрольные работы Факультет технологии веществ и материалов Специальность 120800 - материаловедение в машиностроении

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

1

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.002.3 Теория строения материалов: Рабочая программа, задания на контрольные работы. СПб.: СЗТУ, 2004 — с. Брошюра предназначена для обучающихся без отрыва от производства студентов специальности 120800 (материаловедение в машиностроении) и содержит программу курса с вопросами для самопроверки, тематику лабораторных работ и практических занятий, задания на контрольные работы с методическими указаниями к их выполнению. Содержание программы дисциплины соответствует Государственному образовательному стандарту направления подготовки дипломированного специалиста 651700 (материаловедение, технология материалов и покрытий) и специальности подготовки 120800, утвержденному 27 марта 2000 года. Рассмотрено кафедрой материаловедения и технологии художественных изделий ; одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов . Рецензенты: кафедра материаловедения и технологии художественных изделий СЗТУ (зав. кафедрой Пряхин Е.И., д-р техн. наук, проф.); Солнцев Ю.П., зав. каф. СПбАХиПТ, д-р техн. наук, проф. Составители: Барсуков В.Н., канд. техн. наук, проф. Пряхин Е. И., д-р техн. наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

2

ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Теория строения материалов» является базовой в цикле специальной подготовки инженера специальности 120800 — материаловедение в машиностроении. В соответствии с государственным образовательным стандартом по направлению подготовки специалистов 651700, инженеры специальности 120800 должны знать, в частности: - «…основные тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного материаловедения…»; - «…механизмы пластической деформации и разрушения материалов в зависимости от их структуры, химического состава…»; - «…механизмы фазовых и структурных превращений, их зависимость от условий тепловой обработки…»; - «…диаграммы состояния сплавов для определения фазового состава и структурного состояния машиностроительных материалов…»; - «…основные типы, классы и группы материалов, их составы, структурные характеристики и свойства». Цель преподавания дисциплины — дать студентам соответствующие знания, касающиеся кристаллических и аморфных материалов, полимеров, стекла и керамики. Дисциплина связана с предшествующими ей дисциплинами учебного плана «Химия», «Физика» и последующими дисциплинами «Механические и физические свойства материалов», «Теория и технология термической и химико-термической обработки», «Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей». Дисциплина изучается в двух семестрах: в одном — разделы «Физикохимические основы материаловедения» и «Строение кристаллических материалов», в другом — разделы «Теория сплавов» и «Строение неметаллических материалов». 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Содержание дисциплины по ГОС Физико-химические основы материаловедения: общие условия равновесия; фазовые равновесия и свойства растворов; равновесия в двухкомпонентных системах; химическое равновесие; термодинамика структурных переходов; химическая кинетика в анализе свойств материалов; физикохимия поверхностных явлений; структура поверхности; адсорбция; 3

адгезия; диффузия в материалах. Строение кристаллических материалов: геометрическая и структурная кристаллография; элементы кристаллофизики и кристаллохимии; типы связей в кристаллах; принцип плотнейшей упаковки; типичные структуры металлических и ионных кристаллов; полиморфизм; точечные и линейные дефекты кристаллического строения; виды дислокаций, энергия дислокаций; условия торможения дислокаций; экспериментальные методы наблюдения дислокаций; дисклинации; поверхностные дефекты; дефекты упаковки, малоугловые, высокоугловые границы; энергия границ зерен. Теория сплавов: виды фаз, их строение и свойства; кристаллизация жидких растворов; критический зародыш; кинетика кристаллизации; кристаллизация эвтектических и других двухфазных сплавов; принцип структурного и размерного соответствия; вторичная кристаллизация; направленная кристаллизация; выращивание монокристаллов; диаграммы состояния двойных систем; фазовые и структурные переходы в сплавах железоуглерод; диаграммы состояния тройных систем; неравновесная кристаллизация; ликвация; образование псевдоэвтектик, метастабильных фаз и аморфного состояния; термодинамика и кинетика мартенситного превращения. Строение неметаллических материалов: строение полимеров; фазовые переходы в полимерах, надмолекулярные структуры; релаксационные процессы и явления; виды физических состояний полимеров; механизмы старения полимеров; теория пластификации; фазовые равновесия в смесях полимеров; неорганические стекла; структура ситаллов; структура керамических материалов.

1.2. Рабочая программа (объем курса 170 часов) Введение [2], с. 8…9, [3], с. 13…20 Предмет теории строения материалов и его место в подготовке инженеров специальности 1208. Значение науки для металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности; роль отечественных и зарубежных ученых в ее становлении и развитии. 1.2.1. Физико-химические основы материаловедения 1.2.1.1. Термодинамический анализ материаловедческих проблем [I], с. 55...76, 96...131, 158...190 4

Термодинамическая теория равновесия. Фазовые превращения. Правило фаз Гиббса. Фазовые превращения I и II рода. Фазовые диаграммы; характерные точки и линии диаграмм. Понятие о диаграммах состояния двухкомпонентных систем. Основы физико-химического анализа. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса. Термодинамика структурных переходов в сверхпроводниках, ферромагнетиках, сегнетоэлектриках, жидких кристаллах. Термодинамическая трактовка деформирования материалов (процессы сжатия, растяжения, сдвига). Термодинамика растворов. Растворы электролитов. Растворы полимеров. Вопросы для самопроверки 1. Запишите уравнение химического сродства (связь изменения энергии Гиббса с константой равновесия). 2. Как можно рассчитать константу равновесия по статистическим суммам состояния? 3. Что называется фазой, компонентом, числом компонентов и степенью свободы? Запишите уравнение правила фаз Гиббса. 4. Какими уравнениями выражается связь между давлением, температурой и теплотой фазового перехода? 5. Проанализируйте плоскую диаграмму равновесия воды. 6. Приведите характерные виды диаграмм фазового равновесия двухкомпонентных систем. 7. Что называется раствором? Как выражается концентрация раствора? 8. Запишите уравнения Генри, Рауля и Ле Шателье — Шредера. 9. Что называется удельной и молярной проводимостью электролитов? 10. Запишите и объясните уравнение Кольрауша (уравнение квадратного корня). 11. Чем обусловлено понижение энергии Гиббса при набухании и растворении полимера? 1.2.1.2. Химическая кинетика в анализе свойств материалов [1], с. 416...450, 467...507 Теория физико-химического равновесия. Закон действия масс. Концепция активированного процесса. Законы смещения физико-химического равновесия. Катализаторы химических процессов и фазовых переходов. Вопросы для самопроверки 1. Как можно рассчитать состав равновесной смеси, зная константу равновесия? 2. Сформулируйте принцип Ле Шателье — Брауна и запишите уравнение изобары. 3. Сформулируйте свои представления об активированном комплексе. 5

Объясните, как он трансформируется при реакциях в прямом и обратном направлении. 4. Назовите факторы, оказывающие наибольшее влияние на скорость реакции. 5. Какие уравнения для расчета константы скорости предлагают теории активных соударений и активированного комплекса? 1.2.1.3. Физикохимия поверхностных явлений [I], с. 378...414 Термодинамика поверхностных явлений. Структура поверхности. Адсорбция. Уравнение Ленгмюра, БЭТ. Смачивание. Поверхностно-активные вещества. Адгезия. Эффект Ребиндера. Вопросы для самопроверки 1. Чем отличается физическая адсорбция от хемосорбции? 2. Запишите уравнения адсорбции, используемые для описания процесса адсорбции газов на твердых поверхностях. 3. Запишите уравнение Гиббса, используемое для описания адсорбции на границах жидкость — газ и жидкость — жидкость, объясните причины снижения поверхностной активности при введении поверхностно-активных веществ (ПАВ). 4. Как связаны работы когезии и адгезии с краевым углом смачивания? 1.2.1.4. Диффузия в материалах [3], с. 157…159, [6], с. 43...73 Феноменологическая теория диффузии. Уравнения диффузии. Методы определения коэффициентов диффузии. Возможные механизмы самодиффузии и гетеродиффузии в материалах. Основные факторы, влияющие на коэффициент диффузии. Вопросы для самопроверки 1. Какой процесс называют диффузией? Чем различаются самодиффузия и гетеродиффузия? 2. Напишите первое и второе уравнения диффузии. 3. Какими методами пользуются для определения коэффициентов диффузии? 4. Какие механизмы диффузии наиболее вероятны? 5. Как зависит коэффициент диффузии от температуры? 6. Как влияет на коэффициент гетеродиффузии природа диффундирующего элемента? 6

1.2.2. Строение кристаллических материалов 1.2.2.1. Геометрическая и структурная кристаллография [2], с. 10...23, 30...51, 58...76, 78...84, или [4], с. 7…14, 17...20, 22…40, 42…47, 51...57, 60...64, 66, 93...119, 125...129 Основные характеристики кристаллического состояния вещества. Кристаллографические индексы узлов, узловых рядов и узловых плоскостей. Кристаллографические проекции. Сетка Вульфа и ее использование при решении кристаллографических задач. Элементы симметрии кристаллических многогранников; теоремы о сочетании этих элементов симметрии. Классы симметрии, сингонии и категории кристаллов. Специфические элементы симметрии кристаллических структур. Системы трансляций (решетки Браве). Условия выбора и характеристики элементарных ячеек. Теоремы о сочетании элементов симметрии кристаллических структур. Пространственные группы симметрии кристаллов. Правильные системы точек. Понятие об экспериментальном определении структур кристаллов. Вопросы для самопроверки 1. Чем различаются аморфное и кристаллическое состояния твердого вещества? Какое твердое тело называют кристаллическим? 2. Как определяются кристаллографические индексы и как записываются кристаллографические символы узлов, узловых рядов и узловых плоскостей? 3. Каковы принципы построения сферической, стереографической и гномостереографической проекций кристаллографических направлений и плоскостей? Как изображаются направления и плоскости в каждой из этих проекций? 4. Что представляет собой сетка Вульфа? Как с помощью сетки Вульфа измерить угол между двумя кристаллографическими направлениями или двумя кристаллографическими плоскостями? 5. Перечислите элементы симметрии, встречающиеся в кристаллических многогранниках. Дайте определение каждому из этих элементов симметрии, опишите его действие, приведите буквенные обозначения и графические изображения. 6. Что понимают под классом симметрии кристаллов? Сколько классов симметрии кристаллов существует? 7. Что понимают под сингонией? Перечислите сингонии кристаллов и укажите элементы симметрии, характерные для каждой из сингоний. 8. На какие категории делятся сингонии кристаллов и чем эти категории различаются? 9. Что понимают под трансляцией? Сколько решеток Браве существует? 7

10. Какими условиями руководствуются при выборе ячеек Браве? Как обозначаются и чем различаются примитивные и непримитивные ячейки Браве? 11. Каковы соотношения между линейными и угловыми параметрами в элементарных ячейках кристаллических решеток разных сингоний? 12. Перечислите плоскости скользящего отражения и винтовые оси симметрии, встречающиеся в кристаллических структурах. Опишите их действие, приведите буквенные обозначения и графические изображения. 13. Что понимают под пространственной группой симметрии кристаллов? Сколько пространственных групп симметрии кристаллов существует? 14. Что понимают под правильной системой точек? Каково значение этого понятия для структурного анализа и кристаллохимии? 1.2.2.2. Элементы кристаллохимии и кристаллофизики [2], с. 84, 86, 87, 90...113, или [4], с. 130, 131, 134...163, 171...174, 180...184 Типы взаимодействия и эффективные размеры частиц в кристаллах. Координационные числа и координационные многогранники. Геометрические пределы устойчивости структур с различными координационными числами. Плотноупакованные слои и многослойные плотнейшие упаковки. Кубическая и гексагональная плотнейшие упаковки; представление этих упаковок координационными полиэдрами. Расположение, число и размеры пустот в гранецентрированной кубической (ГЦК), гексагональной плотноупакованной (ГП) и объемноцентрированной кубической (ОЦК) решетках. Основные структурные типы металлических элементов. Структурные типы алмаза и графита. Понятие о структурных типах NаС1, СаF2, ZnS (сфалерит и вюртцит), NiAs, СsСl. Типичные структуры полимеров. Изоморфизм и полиморфизм. Симметрия и анизотропия физических свойств кристаллов. Принцип симметрии и принцип суперпозиции симметрии Кюри. Указательные поверхности физических свойств кристаллов. Вопросы для самопроверки 1. Каковы основные особенности ковалентного, ионного и металлического взаимодействий и как они влияют на структуру кристаллов? 2. Что считают эффективным радиусом частицы в кристалле? Какими системами таких радиусов пользуются в кристаллохимии? 3. Что понимают под координационным числом частицы в кристалле? Какие многогранники называют координационными? 4. От чего зависят координационные числа частиц в кристаллах с ковалентной и ионной связями? Каково влияние координационного числа на межатомные расстояния в кристаллах с металлической связью? 5. Какие слои и многослойные упаковки называют плотнейшими? Как подсчитывается и чему равен коэффициент компактности плотнейших упаковок? 8

6. Каков порядок чередования плотноупакованных слоев в кубической и гексагональной плотнейших упаковках? Какие пустоты существуют в этих упаковках? 7. Чем отличаются тетраэдрические и октаэдрические пустоты в решетке ОЦК от соответствующих пустот в решетках ГЦК и ГП? Где расположены центры пустот в элементарных ячейках ГЦК, ГП и ОЦК решеток? 8. Дайте характеристику основных структурных типов металлических элементов — структурных типов меди, магния и вольфрама. 9. Охарактеризуйте структурные типы алмаза и графита. 10. Что понимают под изоморфизмом и полиморфизмом? Приведите примеры изоморфизма и полиморфизма кристаллов. 11. Какие физические свойства кристаллов являются анизотропными? 12. В чем состоят принцип симметрии и принцип суперпозиции симметрии Кюри? 13. Каков способ наглядного представления анизотропии и симметрии физических свойств кристаллов? 1.2.2.3. Идеальный кристалл и дефекты строения реальных кристаллических материалов [2], с. 127, или [5], с. 20, 21 Понятие об идеальном кристалле. Классификация дефектов строения реальных кристаллов. Точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты кристаллического строения. Вопросы для самопроверки 1. Что лежит в основе классификации дефектов кристаллического строения? 2. Какие точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты могут существовать в реальных кристаллах? 1.2.2.4. Точечные дефекты [2], с. 127...148, или [5], с. 28...65, 130...137 Виды точечных дефектов. Энергия образования и равновесная концентрация вакансий и межузельных атомов. Миграция точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов. Комплексы точечных дефектов. Неравновесные точечные дефекты. Методы определения концентрации вакансий, энергии их образования и миграции. Вопросы для самопроверки 1. Что представляют собой одиночные точечные дефекты и какие позиции в кристаллической решетке они могут занимать? 9

2. Каковы характер и степень искаженности кристаллической решетки вокруг вакансий и межузельных атомов? 3. Какую энергию называют энергией образования вакансий и межузельных атомов? От чего и как зависит равновесная концентрация этих дефектов? 4. Что понимают под энергией миграции точечных дефектов? Каковы основные механизмы их миграции? 5. Какие комплексы и почему могут образовывать точечные дефекты? 6. Как могут возникать и исчезать точечные дефекты? Какие участки кристаллической решетки играют роль источников и стоков точечных дефектов? 7. На чем основаны методы определения концентрации вакансий, энергии их образования и миграции? 1.2.2.5. Дислокации, их движение и упругие свойства [2], с. 148...170, 172…178, 183...193, или [5], с. 75...103, 106...115, 175...179 Теоретическая и реальная прочность кристаллов. Понятие дислокации. Краевые, винтовые и смешанные дислокации. Движение дислокаций. Контур и вектор Бюргерса дислокаций. Плотность дислокаций. Поле упругих напряжений и упругая энергия дислокаций. Силы, действующие на дислокации. Упругое взаимодействие дислокаций. Вопросы для самопроверки 1. Чем обусловлено появление понятия «дислокация»? Что представляют собой дислокации? 2. Какие дислокации называют краевыми, какие — винтовыми и какие — смешанными? Чем они различаются? 3. Каким образом осуществляется обычное скольжение краевых, винтовых и смешанных дислокаций? 4. В чем состоит поперечное и множественное поперечное скольжение винтовых дислокаций? 5. Какое перемещение дислокаций называют переползанием? Какими механизмами оно может осуществляться? 6. Что такое вектор Бюргерса? Каковы основные особенности вектора Бюргерса дислокаций? 7. Что понимают под плотностью дислокаций? От чего и как зависит эта характеристика? 8. От чего и как зависит энергия дислокаций? Какую величину называют линейным натяжением дислокации? 9. Чему равна и как направлена сила, действующая на единицу длины дислокации? 10

10. От чего и как зависит напряжение, необходимое для выгибания линии дислокации в дугу определенного радиуса? 11. Какова зависимость силы взаимодействия параллельных краевых дислокаций от их взаимного расположения? 12. Какие устойчивые конфигурации могут образовывать одноименные и разноименные параллельные краевые дислокации? 13. В каких случаях результатом взаимодействия параллельных краевых дислокаций является образование цепочек вакансий или цепочек межузельных атомов? 14. Как взаимодействуют параллельные винтовые дислокации? От чего зависит сила их взаимодействия? 1.2.2.6. Дислокации и дефекты упаковки в типичных металлических структурах [2], с. 193...202, 206...208, 216...219, 221…233, 240...242, 245…247, или [5], с. 144...169 Полные и частичные дислокации. Дислокационные реакции и их энергетический критерий. Плотнейшие упаковки и дефекты упаковки. Энергия дефектов упаковки. Характерные полные дислокации в ГЦК решетке. Частичные дислокации Шокли и расщепленные дислокации в ГЦК решетке. Частичные дислокации Франка в ГЦК решетке. Стандартный тетраэдр и дислокационные реакции в ГЦК решетке. Вершинные дислокации и дислокации Ломер — Коттрелла. Характерные дислокации в ГП и ОЦК решетках. Особенности поперечного скольжения и переползания расщепленных дислокаций. Дислокации в упорядоченных сплавах. Вопросы для самопроверки 1. Какие дислокации называют полными и какие — частичными? Каковы критерии возможности протекания дислокационных реакций? 2. Как могут возникать и что собой представляют дефекты упаковки в ГЦК и ГП решетках? Что понимают под энергией дефектов упаковки? 3. Каковы векторы Бюргерса полных дислокаций, характерных для ГЦК решетки? 4. Что представляют собой частичные дислокации Шокли в ГЦК решетке? Каковы их векторы Бюргерса? 5. Какие дислокации называют расщепленными? От чего зависит равновесная ширина расщепленных дислокаций? 11

6. Что представляют собой частичные дислокации Франка в ГЦК решетке? Чем они отличаются от частичных дислокаций Шокли? 7. Какой тетраэдр называют стандартным тетраэдром Томпсона? Приведите примеры дислокационных реакций, возможных в ГЦК решетке, используя символику стандартного тетраэдра Томпсона. 8. Какие дислокации в ГЦК решетке называют вершинными? Что представляют собой дислокации Ломер — Коттрелла? 9. Как происходит поперечное скольжение и переползание расщепленных дислокаций? 10. Какие дислокации называют парными? Как движутся такие дислокации? 1.2.2.7. Пересечение дислокаций и их взаимодействие с точечными дефектами [2], с. 247...264, или [5], с. 116...130, 169...172 Пересечение единичных краевых, краевой и винтовой и винтовых дислокаций. Пороги на дислокациях. Движение дислокаций с порогами. Образование цепочек вакансий, цепочек межузельных атомов и дислокационных диполей при движении дислокаций с порогами. Пересечение расщепленных дислокаций. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и межузельными атомами. Взаимодействие дислокаций с примесными атомами. Атмосферы Коттрелла, Снука и Сузуки. Вопросы для самопроверки 1. Каковы результаты пересечения взаимно перпендикулярных краевых, краевой и винтовой или винтовых дислокаций? 2. Какие пороги образуются при пересечении дислокаций? Какими способами могут перемещаться эти пороги? 3. Как происходит движение дислокаций с единичными и составыми порогами? Какие дефекты кристаллического строения при этом образуются? 4. Каковы особенности процесса пересечения расщепленных дислокаций? 5. Каковы результаты взаимодействия дислокаций с вакансиями и межузельными атомами? 6. Что представляют собой атмосферы Коттрелла? От чего и как зависит равновесная концентрация примесных атомов около дислокаций? 7. Что представляют собой атмосферы Снука и Сузуки? В чем состоит их отличие от атмосфер Коттрелла?

12

1.2.2.8. Дисклинации [2], с. 273…278, или [5], с. 196…200 Дислокации Вольтерры. Клиновые дисклинации и дисклинации кручения. Дисклинационные диполи, квадруполи и петли. Полные и частичные дисклинации в кристаллической решетке. Вопросы для самопроверки 1. Чем различаются трансляционные и поворотные дислокации Вольтерры? 2. В чем состоит отличие клиновой дисклинации от дисклинации кручения? 3. Почему возможно существование в реальных кристаллах дисклинационных диполей, квадруполей и петель? 4. Какими могут быть поворотные векторы дисклинации в кристаллической решетке? Как осуществляется и к чему приводит движение дисклинаций? 1.2.2.9. Дислокационные системы и границы раздела [2], с. 264...273, 279…293, или [5], с. 104...106, 184...196, 200...205, 218... 243 Образование дислокаций при кристаллизации и последующем охлаждении металлов. Дислокационные сетки и сплетения. Размножение дислокаций при пластической деформации. Источник Франка-Рида. Источник Бардина-Херринга. Границы наклона и кручения, границы малоугловые и высокоугловые. Строение и миграция малоугловых границ. Современные модели строения высокоугловых границ. Специальные и произвольные границы, решетки совпадающих узлов, сегменты повторяемости. Зернограничные дислокации и их движение. Миграция высокоугловых границ. Вопросы для самопроверки 1. Какие процессы сопровождаются образованием в кристаллах дислокаций? 2. Каковы возможные механизмы образования и размножения дислокаций? 3. Что представляет собой источник Франка-Рида? От чего и как зависит критическое напряжение этого источника? 4. Какие комплексы могут образовывать дислокации в кристаллах? 13

5. Чем различаются границы наклона и кручения, границы малоугловые и высокоугловые? 6. Что представляют собой малоугловые границы наклона и кручения? Как могут мигрировать малоугловые границы? 7. Какие решетки называют решетками совпадающих узлов? Чем такие решетки характеризуются? 8. Что представляют собой специальные границы? Чем они отличаются от произвольных границ? 9. Какие дефекты кристаллического строения называют зернограничными дислокациями? Каковы характерные особенности этих дефектов? 10. Как связана миграция высокоугловых границ с движением зернограничных дислокаций и зернограничных ступенек?

1.2.3. Теория сплавов 1.2.3.1. Строение твердых фаз в металлических сплавах [3], с. 144…150; [6], с. 3...43 Основные понятия: система, сплав, компонент, фаза, структура. Монокристаллы и поликристаллы. Условия образования твердых фаз. Твердые растворы. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии. Кристаллическая структура и типы твердых растворов. Твердые растворы замещения. Условия неограниченной растворимости компонентов и факторы, определяющие предел растворимости в твердом состоянии. Твердые растворы внедрения. Твердые растворы вычитания. Энергия смешения твердых растворов, условия возникновения упорядочения или расслоения. Ближний и дальний порядок и их параметры. Промежуточные фазы (интерметаллиды) в металлических сплавах: соединения с нормальной валентностью; соединения, определяемые размерным фактором; электронные соединения. Фазы внедрения, их составы. Подрешетки металлических атомов в фазах внедрения. Специфические свойства интерметаллидов и фаз внедрения. Вопросы для самопроверки 1. Дайте определение компонента и фазы. В чем состоит различие двухфазного и двухкомпонентного сплавов? При каких условиях чистый (т.е. однокомпонентный) металл может быть двухфазным? 2. Назовите основные виды твердых фаз в металлических сплавах.

14

3. Что представляют собой твердые растворы? Какие типы твердых растворов существуют и каковы особенности твердых растворов каждого типа? 4. Дайте общую характеристику промежуточных фаз. Каковы основные свойства электронных соединений, фаз внедрения, сигма-фаз, фаз Лавеса? 1.2.3.2. Кристаллизация расплавов [3], с. 40…47, или [7], с. 68...80 Особенности строения жидких сплавов. Термодинамика процесса кристаллизации. Кривая охлаждения. Скрытая теплота кристаллизации. Механизм процесса кристаллизации. Самопроизвольное (гомогенное) образование зародышей кристаллизации и их рост. Зависимость параметров процесса кристаллизации (скорости образования зародышей и линейной скорости кристаллизации) от степени переохлаждения. Кинетика процесса кристаллизации. Несамопроизвольное (гетерогенное) образование зародышей. Принцип структурного и размерного соответствия. Эвтектическая кристаллизация. Влияние степени переохлаждения, примесей и модификаторов на процесс кристаллизации, на размер и форму кристаллов затвердевшего сплава. Строение реальных металлических отливок. Направленная кристаллизация. Выращивание монокристаллов из расплавов. Вопросы для самопроверки 1. Охарактеризуйте расплавленное состояние металлов с точки зрения особенностей взаимного расположения атомов. 2. Как происходит кристаллизация металлов из расплавленного состояния? 3. Какова энергетическая сущность процесса кристаллизации? 4. Какими параметрами характеризуют процесс кристаллизации? Какова зависимость этих параметров от степени переохлаждения и скорости охлаждения? Объясните на основе этих зависимостей образование в литых металлах структур с крупным и с мелким зерном. 5. В чем заключается процесс несамопроизвольного (гетерогенного) образования зародышей кристаллизации? Объясните, почему несамопроизвольное образование таких зародышей требует меньшего переохлаждения, чем самопроизвольное. В чем заключается принцип структурного и размерного соответствия при образовании зародышей кристаллизации? 6. На основе принципа структурного и размерного соответствия объясните, каково влияние примесей и температуры жидкого металла на параметры процесса кристаллизации. Что понимают под модифицированием и какова физическая сущность этого процесса? 15

7. Что представляют собой дендриты и чем обусловлены особенности их строения? 8. Объясните особенности строения металлического слитка на основе закономерностей кристаллизации. 1.2.3.3. Наклеп и рекристаллизация [3], с. 48…51, 60…68, или [7], с. 122...140 Упругая и пластическая деформация металлов; механизмы пластической деформации. Деформационное упрочнение и его причины. Сверхпластичность металлов. Процессы, происходящие при отжиге деформированных металлов. Разновидности рекристаллизации; диаграммы рекристаллизации. Холодная и горячая пластическая деформация. Вопросы для самопроверки 1. Чем различаются упругая и пластическая деформации твердых тел? 2. Какими механизмами может осуществляться пластическая деформация металлов? Чем эти механизмы различаются? 3. Что понимают под наклепом? Какими изменениями в структуре металлов он обусловлен? 4. В чем состоит явление сверхпластичности? Каковы условия его проявления? 5. Какие изменения происходят в структуре деформированных металлов при возврате и рекристаллизации? 6. В чем состоит различие между первичной, собирательной и вторичной рекристаллизацией? 7. Что представляют собой диаграммы рекристаллизации и каково их практическое значение? 8. По какому критерию разделяют пластическую деформацию металлов на холодную и горячую? 1.2.3.4. Диаграммы состояния двойных систем [3], с. 150…151, 168…186, 189…190, или [7], с. 87...98 Практическое значение диаграмм состояния (диаграмм фазового равновесия). Правило фаз и его роль при построении и изучении диаграмм состояния. Основные представления о графическом методе термодинамики и применении его к диаграммам состояния. Способы построения диаграмм состояния. 16

Важнейшие диаграммы состояния двойных сплавов. Диаграммы состояния при неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Определение относительного содержания фаз при помощи правила отрезков. Ликвация в сплавах и ее разновидности (дендритная, зональная, по плотности). Диаграммы состояния при ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Эвтектическое и перитектическое превращения. Эвтектика как структурная составляющая, условия ее образования. Особенности перитектического превращения. Полная нерастворимость компонентов в твердом состоянии как предельный случай ограниченной растворимости. Диаграммы состояния с образованием химических соединений или иных промежуточных фаз. Случаи образования устойчивых и неустойчивых химических соединений. Вид диаграмм состояния при ограниченной сплавляемости компонентов в жидком состоянии. Монотектическая и синтектическая реакции. Диаграммы состояния сплавов с фазовыми превращениями в твердом состоянии. Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Образование вторичных кристаллов. Эвтектоидное и перитектоидное превращения. Упорядочение и магнитное превращение в сплавах. Изменение структуры сплавов при изменении состава. Определение относительного количества структурных составляющих. Вопросы для самопроверки 1. Что представляют собой диаграммы состояния и в чем заключается их практическое значение? Перечислите и поясните сущность основных методов построения диаграмм состояния. 2. Начертите диаграмму состояния двойных сплавов, компоненты которых имеют неограниченную растворимость в твердом состоянии. Укажите, каким фазам соответствует каждая область этой диаграммы. Определите в каком-либо сплаве состав фаз и количественное соотношение фаз при определенной температуре. 3. Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых имеют ограниченную растворимость в твердом состоянии, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава. 4. Начертите диаграмму состояния двойных сплавов, компоненты которых полностью нерастворимы в твердом состоянии. Рассмотрите процессы кристаллизации в доэвтектическом, эвтектическом и заэвтектическом сплавах. Укажите, сколько фаз существует совместно в момент эвтектической кристаллизации. Можно ли считать эвтектику самостоятельной фазой? 17

5. Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава. 6. Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава. 7. На примере диаграммы состояния для случая неограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии рассмотрите процесс кристаллизации какого-либо сплава и объясните сущность дендритной ликвации. 8. На примере диаграммы состояния для случая полной нерастворимости компонентов в твердом состоянии рассмотрите процесс кристаллизации какоголибо сплава и объясните сущность ликвации по плотности. 9. Что собой представляет и в каких условиях имеет место зональная ликвация?

1.2.3.5. Диаграммы состояния тройных систем [3], с. 190…194, или [7], с. 117...121 Основные представления о диаграммах состояния тройных сплавов и способах их построения. Концентрационный треугольник и его свойства. Тройная система с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и тройная эвтектическая система с полной нерастворимостью и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Методы плоскостного изображения тройных диаграмм состояния — горизонтальные (изотермические) и вертикальные (псевдобинарные) разрезы. Вопросы для самопроверки 1. Как строятся диаграммы состояния тройных систем? Что представляет собой концентрационный треугольник? Укажите, какая точка этого треугольника отвечает сплаву с 20% компонента В и 35% компонента С; сплаву с 70% компонента В и 0% компонента С; сплаву с 40% компонента В и 60% компонента С. 2. Начертите две тройные диаграммы: с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (с эвтектическим превращением) и с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Опишите структурное состояние сплавов, соответствующих разным областям этих диаграмм. 18

3. Разъясните сущность плоскостного изображения тройных диаграмм состояния с помощью горизонтальных (изотермических) и вертикальных (псевдобинарных) сечений. 1.2.3.6. Структуры, формирующиеся при неравновесной кристаллизации расплавов [3], с. 186…189, или [7], с. 80...82 Кристаллизация сплавов в неравновесных условиях. Равновесный и неравновесный солидус. Неравновесная кристаллизация сплавов внеэвтектического состава. Образование псевдоэвтектики. Сверхбыстрая кристаллизация сплавов. Образование метастабильных фаз при кристаллизации. Аморфизация металлических сплавов. Особенности структуры и свойств аморфных сплавов (металлических стекол). Вопросы для самопроверки 1. Какова физическая сущность неравновесной кристаллизации? 2. Как влияет неравновесная кристаллизации на структуру сплавов? 3. Какие способы сверхбыстрого охлаждения расплавов используются в настоящее время? 4. Чем определяется способность металлических сплавов к аморфизации? 5. Какие параметры характеризуют структуру аморфных сплавов? 1.2.3.7. Превращения в металлических сплавах в твердом состоянии [7], с. 157...162 Термодинамика и кинетика полиморфных превращений. Нормальный и мартенситный механизмы полиморфных превращений, условия их реализации. Понятия о когерентных и некогерентных межфазных границах. Образование пересыщенных твердых растворов и их распад. Образование псевдоэвтектоида и мартенситных фаз в сплавах с полиморфными превращениями. Вопросы для самопроверки 1. Что понимают под полиморфизмом и какова энергетическая сущность этого явления? Почему необходимы переохлаждение или перегрев при полиморфном превращении? 2. В чем состоит основное отличие полиморфного превращения (совершающегося только в твердой фазе) от процессов кристаллизации или плавления (совершающихся с участием жидкой фазы)? Как оно сказывается на развитии полиморфного превращения по сравнению с процессами плавления и кристаллизации? 3. Чем различаются диффузионный и мартенситный механизмы полиморфного превращения? 19

4. На примере какой-либо диаграммы состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии поясните физическую сущность образования пересыщенного твердого раствора и процесса его распада. 5. Какова причина образования мартенситных фаз в сплавах с полиморфными превращениями? 1.2.3.8. Диаграммы состояния и структура сплавов железа с углеродом [3], с. 194…210, 224…233, 249…254, или [7], с. 99...110, 165…174, 175, 291…302 Свойства железа и углерода. Полиморфные превращения в железе. Характеристика твердых фаз, присутствующих в железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии, - феррита, аустенита, цементита, графита. Диаграммы состояния железо—цементит (метастабильная) и железо— графит (стабильная). Условия кристаллизации сплавов при метастабильном и стабильном равновесиях. Кристаллизация и превращения в твердом состоянии в железоуглеродистых сплавах различного состава. Техническое железо и его структурные особенности. Стали, белые и серые чугуны. Основная структурная особенность сталей. Условия кристаллизации перлита. Характеристика структуры доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей. Условия образования видманштеттовой структуры в сталях. Основная структурная особенность белых чугунов. Условия кристаллизации ледебурита. Характеристика структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического белых чугунов. Структурные особенности серых чугунов. Механизм зарождения и роста графита. Неравновесные структуры, образующиеся при распаде переохлажденного аустенита (бейнит и мартенсит). Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные физико-механические свойства чистого железа. Охарактеризуйте полиморфные превращения в железе и укажите, при каких температурах они совершаются. 2. Дайте характеристику фаз, встречающихся в железоуглеродистых сплавах, - феррита, аустенита, цементита, графита. 3. Начертите по памяти диаграмму состояния железо—цементит, нанесите на нее все принятые буквенные обозначения и все характерные температуры и концентрации; обозначьте на диаграмме все фазы и структурные составляющие. 20

Поясните, каким превращениям при нагреве и охлаждении соответствует каждая линия этой диаграммы. 4. Что представляют собой ледебурит и перлит? Являются ли они самостоятельными фазами? 5. Какие превращения совершаются в сплавах железа с 0,6%; 1,2%; 3% и 5% углерода при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры? 6. В чем заключается различие между стабильной и метастабильной диаграммами состояния железоуглеродистых сплавов? При каких условиях процесс кристаллизации сплавов описывается диаграммой состояния одного или другого типа? 7. Как классифицируются железоуглеродистые сплавы по составу и структуре? Каково принципиальное различие между сталями и чугунами? 8. Какую структуру имеют доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали? Какую структуру имеют доэвтектический, эвтектический и заэвтектический чугуны? Какие пределы концентраций углерода свойственны каждому из перечисленных железоуглеродистых сплавов? 9. Каковы основные структурные составляющие в сером чугуне? Чем определяется структура металлической основы серого чугуна? Что обусловливает форму и размеры графитных включений в сером чугуне?

1.2.4. Строение неметаллических материалов 1.2.4.1. Полимеры [3], с. 566…577, или [8], с. 251...305 Строение полимеров. Основные термины и определения. Классификация полимеров. Плавление и кристаллизация полимеров. Кинетика кристаллизации. Ориентация макромолекул. Полимерные жидкие кристаллы. Атомная, сегментальная и межмолекулярная подвижность в структуре полимеров. Стеклообразное состояние полимеров. Полимерная память. Высокоэластичное, вязкоупругое и вязкотекучее состояния полимеров. Механизм старения полимеров. Деструкция. Методы борьбы со старением полимеров. Растворы полимеров. Полимерные студни и гели. Пластификация полимеров. Фазовые равновесия в смесях полимеров.

21

Вопросы для самопроверки 1. Как классифицируются полимеры по составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву? 2. Охарактеризуйте основные различия между органическими и неорганическими полимерами. 3. Опишите основные формы макромолекул полимеров и объясните, как они влияют на свойства полимеров. 4. Какими особенными свойствами обладают полимерные материалы? 1.2.4.2. Неорганические стекла [3], с. 604…608, или [8], с. 237...250 Классификация стекол. Основные компоненты стекломатериалов и их назначение. Химический состав и структура стекол. Химическая модификация стекол. Кристаллизация стекол. Структура ситаллов и области их применения. Вопросы для самопроверки 1. Какова особенность внутреннего строения стекол? Охарактеризуйте ее связь со свойствами стекол. 2. Каким путем можно значительно повысить прочность и термостойкость стекол? 3. Каковы основные различия структур стекол и ситаллов? Как они сказываются на свойствах этих материалов? 4. Перечислите основные области применения ситаллов. 1.2.4.3. Керамика [3], с. 626…639, или [8], с. 212...237 Компоненты керамических материалов. Физико-химические основы процесса спекания. Структура керамических материалов и факторы, ее определяющие. Старение керамики. Керамика как конструкционный материал. Вопросы дли самопроверки 1. Перечислите основные группы керамических материалов. 2. Каковы основные преимущества и недостатки керамических материалов? 3. Какие способы получения керамических изделий существуют? Назовите их основные преимущества и недостатки. 4. Где в настоящее время керамика применяется как конструкционный материал? Каковы перспективы ее использования в машиностроении?

22

1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения ( 40 часов) 1. Физико-химические основы материаловедения…………………… 4 часа 2. Классификация дефектов кристаллической решетки. Точечные дефекты. Краевые, винтовые и смешанные дислокации………… - “ 3. Движение дислокаций. Вектор Бюргерса дислокаций. Упругие свойства и упругое взаимодействие дислокаций… ………………………….. - “ 4. Дислокации и дефекты упаковки в ГЦК решетке. Пересечение дислокаций. Взаимодействие дислокаций с вакансиями, межузельными и примесными атомами ………………………………………………………… - “ 5. Образование дислокаций. Дислокационные системы и границы раздела …………………………………………………………………………… - “ 6. Строение твердых фаз в металлических сплавах. Кристаллизация расплавов. Наклеп и рекристаллизация.……………………. - “ 7. Диаграммы состояния двойных и тройных систем и структура сплавов …………………………………………………………………………… - “ 8. Неравновесная кристаллизация. Фазовые превращения в твердом состоянии …………………………………………………………….. - “ 9. Диаграммы состояний и структура сплавов железа с углеродом…… - “ 10. Строение неметаллических материалов …………………………….. - “ -

1.4. Перечень тем практических занятий (12 часов) 1. Определение кристаллографических индексов и построение стереографических и гномостереографических проекций направлений и плоскостей в кристаллах……………………………………………………. 2 часа 2. Решение кристаллографических задач с помощью сетки Вульфа… - “ 3. Определение элементов симметрии и классов симметрии на моделях кристаллографических многогранников………………………… - “ 4. Выбор элементарных ячеек и определение характеристик кристаллических решеток на моделях кристаллических структур………… 2 часа 5. Определение плотнейших упаковок, заполнения пустот и координационных полиэдров на моделях кристаллических структур……. - “ 6. Анализ полей напряжений дислокаций и парных упругих взаимодействий параллельных дислокаций…………………………………... - “ 23

1.5. Перечень тем лабораторных занятий (16 часов) 1. Изучение структуры металлов и сплавов методом макроскопического и микроскопического анализа…………………………. 2 часа 2. Диаграммы состояний и структуры двойных сплавов……………… - “ 3. Влияние холодной пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства сплавов……………………………………. 4 часа 4. Структура и свойства углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии………………………………………………………. - “ 5. Структура и свойства серых чугунов………………………………… - “ -

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. — М.: Металлургия, 1987. 2. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. — М.: Металлургия, 1990. 3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. — СПб.: Химиздат, 2002. Дополнительный: 4. Шаскольская М.П. Кристаллография. — М.: Высш. школа, 1984. 5. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. I. Дефекты решетки. — М.: Металлургия, 1982. 6. Актавина Г.В., Барсуков В.Н. Строение твердых фаз и диффузия в металлических сплавах: Учеб. пособие. — Л.: СЗПИ, 1981. 7. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. — М.: Изд-во МГТУ, 2002. 8. Уайэтт О., Дью-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры / Пер. с англ. — М.: Атомиздат, 1979.

3. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ Контрольные работы преследуют цель научить студента оперировать фундаментальными понятиями курса «Теория строения материалов» и 24

использовать основные расчетные формулы для решения материаловедческих задач. Контрольные работы следует выполнять по мере прохождения курса: работу 1 — при изучении раздела 1.2.2; работу 2 - после изучения тем 1.2.3.1 и 1.2.3.4; первое и второе задания работы 3 — при изучении темы 1.2.3.8, а третье и четвертое задания — после изучения раздела 1.2.4. При выполнении контрольных работ рекомендуется пользоваться методическими указаниями, помещенными после заданий.

3.1. Задания для контрольной работы 1 1. Определить индексы направления, проходящего через узел решетки с координатами ... , и индексы плоскости, отсекающей на координатных осях отрезки ... . 2. Указать координационное число, изобразить координационный многогранник и рассчитать коэффициент компактности … решетки. 3. Вычислить избыточную концентрацию вакансий в ..., резко закаленном (й) от температуры tзак = ... , если энергия образования вакансий в ... Ео = ... , а стока вакансий в процессе закалки не происходит. 4. Краевая дислокация в металле с ... решеткой лежит в плоскости ... . Указать возможное направление линии этой дислокации. 5. Для винтовой дислокации ... в металле с ... решеткой выписать и схематически изобразить все возможные плоскости поперечного скольжения. 6. Привести (в обозначениях стандартного тетраэдра Томпсона) энергетически вероятные варианты расщепления дислокации ... . 7. Дислокация типа ... (в обозначениях стандартного тетраэдра Томпсона) поочередно пересекает все полные дислокации, возможные в ГЦК решетке. Указать, при каких из этих пересечений образуются пороги только на движущейся дислокации, при каких — только на неподвижных дислокациях, при каких — одновременно на движущейся и на неподвижных дислокациях, а также пересечения, при которых не образуется порогов ни на движущейся, ни на неподвижных дислокациях. Указания Для выполнения заданий 1...4 номер варианта выбрать из табл. 1 по последней цифре шифра, а для заданий 5...7 — по предпоследней цифре. Материал, достаточный для правильных ответов на вопросы 1 и 3, содержится в учебнике [2], на с. 14...20, 130...133 и 142...143, а для ответа на вопрос 6 — на с. 216...219 и 223...230. Постоянная Больцмана k = 1,38·10-23 Дж/К. 25

При составлении ответа на вопрос 2 следует исходить из того, что под коэффициентом компактности какой-либо кристаллической решетки, построенной из материальных частиц одного сорта (равновеликих, несжимаемых и соприкасающихся «шаров»), понимают отношение η = (n·Vш) / Vэл. яч., где n — число частиц, приходящихся на элементарную ячейку; Vш — объем частицы — «шара»; Vэл. яч. — объем элементарной ячейки. Поэтому для вычисления коэффициента компактности простой кубической, ОЦК, ГЦК и ГП кристаллических решеток по приведенной формуле необходимо: - выбрать и изобразить графически такое сечение кристаллической решетки, из которого можно установить связь между радиусом частицы-«шара» и параметрами элементарной ячейки; - определить n; - в случае ГП решетки рассчитать Vэл. яч. ([4], с. 127), предварительно установив связь между параметрами с и a элементарной ячейки этой решетки. Для ответа на вопрос 4 необходимо изучить материал, изложенный в [2], на с. 148...151 и 206...210, а затем, учитывая взаимную перпендикулярность линий краевой дислокации, ее вектора Бюргерса и нормали к плоскости скольжения и эквивалентность кристаллографических индексов плоскости и нормали к ней в кристаллических решетках кубической сингонии, воспользоваться соотношением (1.19), приведенным в [4] на с. 86. Для ответа на вопрос 5 необходимо после изучения материала, изложенного в [2], на с. 158...165 и 206...210, отобрать по соотношению (1.16), приведенному в [4], на с. 85, все возможные плоскости поперечного скольжения заданной дислокации; рассчитать по соотношению (2.18,е), приведенному в [4] на с. 128, углы между этими плоскостями и схематически изобразить все плоскости поперечного скольжения, расположив линию их пересечения перпендикулярно плоскости рисунка. Для ответа на вопрос 7 необходимо изучить материал, изложенный в [2] на с. 206...208, 226...230 и 247...252; учесть, что имеются в виду устойчивые пороги, а не перегибы дислокаций.

26

Вопрос

Таблица 1 Параметры, значения которых не указаны в задании

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Координаты

6,2,0

2,10, 4

4,0,8

8,2,10

0,10,6

8,6,10

8,0,2

4,8,6

4,10,0

6,4,2

Отрезки

1,3,5

∞,5,1

4,1,2

5,∞,4

2,3,5

3,4,∞

4,1,3

3,∞,2

4,5,2

∞,1,2

2

Решетка

Простая кубичес кая

ОЦК

ГЦК

ГП

Простая кубичес кая

ОЦК

ГЦК

ГП

Простая кубичес кая

ГЦК

3

Металл tзак, оС Ео·1018 , Дж

Сu 950 0,182

Аl 650 0,122

Аg 850 0,176

Аu 1050 0,157

Ni 1300 0,224

Сu 1070 0,182

Аl 550 0,122

Аg 950 0,176

Au 900 0,157

Ni 1450 0,224

4

Решетка Плоскость

ОЦК (110)

ГЦК (111)

ОЦК (112)

ОЦК (101)

ГЦК (111)

ОЦК (121)

ОЦК (011)

ГЦК (111)

ОЦК (211)

ГЦК (111)

Значения параметров в контрольной работе 1 для вариантов

5

Дислокация а/2[101] а/2[111] а/2[110] а/2[011] а/2 [111] а/2 [101] а/2 [110] а/2 [111] а/2 [111] а/2 [111] Решетка ГЦК ОЦК ГЦК ГЦК ОЦК ГЦК ГЦК ОЦК ОЦК ОЦК

6

Дислокация

АВ

АС

АD

ВС

BD

СD

AВ

ВС

CD

АD

7

Дислокация

СDβ

ADγ

АСδ

АDβ

BCδ

ВСα

АСβ

ВDγ

ВDα

ABγ

27

3.2. Задания для контрольной работы 2 Начертить диаграмму состояния двухкомпонентной системы (рис. 1, 0…9) и провести ее анализ в следующих направлениях. Указать на рисунке, каким фазам соответствуют разные области этой диаграммы, и написать, какому превращению при охлаждении и нагреве соответствует каждая из ее линий. Кратко описать превращения, происходящие в двух отмеченных на диаграмме сплавах при их медленном охлаждении от расплавленного состояния до температуры, соответствующей оси абсцисс диаграммы. Указать окончательные структуры этих сплавов и изобразить их схематически. Мысленно проанализировав процесс формирования структуры сплавов других составов, выписать все возможные типы окончательных структур сплавов данной системы; для каждой из структур указать интервал составов сплавов, к которому эта структура относится. Для двух заданных сплавов построить кривые охлаждения и указать на них критические точки. Отметить, какие критические точки выражены появлением на кривой охлаждения горизонтальной площадки, а какие — изменением наклона кривой охлаждения; объяснить это различие с помощью правила фаз. Для двух заданных сплавов определить химические составы и относительные количества фаз при температурах, указанных в табл. 2. Таблица 2 Номер диаграммы состояния 0 1 2 3 4

Номер сплава I II I II I II I II I II

Номер Температура, диаграммы о С состояния 20 5 150 200 6 20 100 7 200 20 8 650 600 9 1000 28

Номер сплава

Температура, о С

I II I II I II I II I II

650 200 800 1400 600 300 210 20 200 280

Анализируемую диаграмму состояния выбрать по последней цифре шифра.

0

1

2

3

29

4 5

6 7

30

8

9

Рис. 1. Диаграммы состояний разных двойных систем – варианты контрольной работы 2 Указания В связи со сложностью задания ниже в качестве примера его выполненияприведен полный анализ диаграммы состояния системы Тi—Аg (рис. 2,а).

Рис. 2. Диаграмма состояния системы Тi—Аg (а) и кривые охлаждения сплавов I и II (б) При оформлении ответов на вопросы задания не следует переписывать из настоящих указаний общие теоретические положения, разъясняющие отдельные моменты анализа диаграмм состояния. 31

В начале ответа следует дать характеристику компонентов анализируемой диаграммы состояния. Титан имеет две аллотропические модификации: ниже 882 °С устойчив αТi, выше – β-Тi. Серебро полиморфных превращений не имеет. Компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, образуя жидкую фазу L. Аg ограниченно растворимо в обеих модификациях Тi и образует твердый раствор α на базе кристаллической решетки α-Тi и твердый раствор β на базе кристаллической решетки β-Тi. Ti в Аg не растворяется, и Аg в сплавах выступает как самостоятельная фаза. Ti и Аg образуют нестойкое химическое соединение ТiАg. Таким образом, в системе Тi—Аg имеются следующие фазы: - L, которой соответствует однофазная область выше линии AВСD; - α с соответствующей однофазной областью LNPOL; - β с соответствующей однофазной областью АЕМLА; - ТiАg на вертикали GНQR; - Аg на вертикали DКS. Все остальные области этой диаграммы состояния являются двухфазными; они содержат те фазы, с которыми эти области граничат слева и справа: AEGВA — L+β; LNML — α+β; EМQHGE — β+ТiАg; NРRQMN — α+ТiАg; GHCBG — L+ТiАg; СKDC — L+Аg; HQRSKH — ТiАg+Аg. Каждая линия на диаграмме состояния является границей области существования тех или иных фаз. Пересечение любой такой линии при нагреве или охлаждении сплава соответствует появлению или исчезновению соответствующих фаз. В области затвердевания сплавов: - АВ — линия начала кристаллизации твердого раствора β из жидкости при охлаждении и окончания его расплавления при нагреве; - ВС— линия начала кристаллизации ТiАg из жидкости при охлаждении и окончания его расплавления при нагреве; - СD — линия начала кристаллизации Аg из жидкости при охлаждении и окончания его расплавления при нагреве; - АВСD — линия ликвидуса; - АЕ — линия окончания кристаллизации твердого раствора β при охлаждении и начала его плавления при нагреве; - ЕGВ — линия перитектического превращения, при охлаждении жидкость состава точки В взаимодействует с твердым раствором состава точки Е, образуя химическое соединение состава точки G: LB+βE ↔ TiAgG ; (1) B

32

при нагреве ТiАg распадается на β и L; - НСК — линия эвтектического превращения, при охлаждении жидкость состава точки С распадается на химическое соединение TiAg и Аg, образуя их смесь — эвтектику: LC ↔ТiАgH +Аg; (2) при нагреве ТiАg и Аg взаимодействуют между собой, образуя жидкость; - AЕGНСК — линия солидуса. В области затвердевших сплавов: - LМ — линия начала аллотропического превращения твердого раствора на базе β-Тi в твердый раствор на базе α-Тi при охлаждении и окончания превращения α → β при нагреве; - LN — линия окончания аллотропического превращения β → α при охлаждении и начала превращения α → β при нагреве; - ЕМ — линия предельной растворимости Аg в β-Тi; линия начала выделения кристаллов ТiАg из β-твердого раствора при охлаждении и окончания растворения кристаллов ТiАg в β-твердом растворе при нагреве; - NМQ — линия эвтектоидного превращения, при охлаждении твердый раствор β состава точки М распадается на твердый раствор α состава точки N и химическое соединение ТiАg состава точки Q, образуя их смесь — эвтектоид: βM ↔ αN +ТiАgQ; (3) при нагреве α-твердый раствор и ТiАg взаимодействуют, образуя β-твердый раствор; - РN — линия ограниченной растворимости Аg в α-Тi; линия начала выделения кристаллов ТiАg из α-твердого раствора при охлаждении и окончания растворения кристаллов ТiАg в α-твердом растворе при нагреве. Кристаллизация сплава I начинается в точке 1, когда из L образуются первые кристаллы β. По мере охлаждения сплава в интервале температур 1—2 количество β-кристаллов возрастает, их состав изменяется по линии 1'—2, а состав остающейся жидкости по линии 1—2' (по правилу определения состава фаз). В точке 2 кристаллизация заканчивается, и в интервале температур 2—3 сплав имеет однофазную структуру β-твердого раствора. В точке 3 начинается полиморфное превращение β→α. При понижении температуры в интервале 3— 4 количество кристаллов α возрастает, их состав изменяется по линии 3'—N, состав остающихся β-кристаллов — по линии 3—М. В точке 4 состав βкристаллов достигает эвтектоидного (точка М), и при дальнейшем охлаждении вся β-фаза [по правилу отрезков ее количество равно (N - 4)/(N - M )] распадается, превращаясь в эвтектоид: βM → Эд (αN +TiAg). Следовательно, ниже эвтектоидной горизонтали NМQ структура сплава состоит из эвтектоида Эд (αN +TiAg) и избыточных кристаллов α, образовавшихся в интервале температур 3—4. Дальнейшее охлаждение сплава приводит к выделению избытка ТiАg из α-фазы вследствие понижения растворимости Аg в α-Тi по линии NР. Эти выделения называются третичными (ТiАgIII) в отличие от 33

первичных (из L по линии ВС) и вторичных (из β по линии ЕМ), образующихся в сплавах соответствующих составов. Таким образом, окончательная структура сплава I содержит три структурные составляющие: α +ТiАgIII + Эд (αN +TiAg). Такую же структуру имеют все сплавы составов N—М (здесь и ниже при указании составов подразумевается проекция соответствующих точек на ось абсцисс диаграммы); эти сплавы называются доэвтектоидными. Сплав, отвечающий эвтектоидному составу (точка М), называется эвтектоидным; он имеет одну структурную составляющую - Эд (αN +TiAg), образовавшуюся в результате эвтектоидного распада β при Т = 750 °С. Заэвтектоидные сплавы составов (М—Q) имеют две структурные составляющие - ТiАg + Эд (αN +TiAg). Избыточные кристаллы ТiАg в структуре заэвтектоидных сплавов имеют различное происхождение: в сплавах составов (М—Е) они представляют собой вторичные выделения из β-фазы (по линии ЕМ); в сплавах составов (Е—G), помимо подобных вторичных выделений, имеются кристаллы ТiАg, образовавшиеся в результате перитектической реакции при T = 1040 °С: LB + βE →ТiАg. Сплавы, расположенные левее точки N, не содержат эвтектоида в структуре (в процессе охлаждения они не пересекают эвтектоидную горизонталь NМQ). Сплавы составов (О—Р) имеют однофазную α-структуру. В сплавах составов (Р—N) по границам зерен α-фазы располагаются третичные выделения ТiАg, т.е. они содержат две структурные составляющие - α + ТiАgIII. Кристаллизация сплава II начинается в точке 5 с выпадения β-кристаллов, но в отличие от сплава I процесс кристаллизации не завершается образованием однофазной β-структуры. Остающаяся жидкость (LB) при T = 1040 °С вступает в реакцию с ранее выпавшими β-кристаллами (βE), образуя согласно (1) неустойчивое соединение ТiАg. В сплаве II и во всех сплавах составов (G—В) имеется избыток L по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования ТiАg по реакции (1), поэтому в результате перитектической реакции часть L остается: LB + βЕ → ТiАg + LB. При охлаждении сплава II в интервале температур 6—7 количество ТiАg увеличивается за счет непосредственного выпадения из L. В точке 7 остаток L [в количестве (H - 7)/(H - C)] испытывает эвтектическое превращение: LC → Эа (ТiАg +Аg); следовательно, ниже точки 7 структура сплава состоит из эвтектики и избыточных кристаллов ТiАg, образовавшихся в интервале температур 6—7. Дальнейшее охлаждение этого сплава не приводит к каким-либо структурным изменениям. Таким образом, окончательная структура сплава II содержит две составляющие - ТiАg + Эа (ТiАg +Аg). Такую же структуру имеют все доэвтектические сплавы составов (Н—С); эвтектический сплав (точка С) содержит одну структурную составляющую - Эа (ТiАg +Аg), а заэвтектические сплавы составов (С-D) — две структурные составляющие - Аg + Эа (ТiАg +Аg). B

B

B

B

34

Температурные кривые охлаждения сплавов I и II показаны на рис. 2,б. Число степеней свободы в однофазной области s = 2. Следовательно, температура и состав фаз в этой области могут изменяться независимо друг от друга, произвольно, и при охлаждении в однофазной области скорость изменения температуры определяется только внешними условиями охлаждения. Пересечение наклонной границы фазовой области вертикалью, задающей состав сплава (например, I и II, см. рис. 2,а), соответствует появлению или исчезновению одной из фаз с участием в реакции всего двух фаз. В двухфазной области s = 2 – 2 +1 = 1. Следовательно, между температурой и составом фаз существует связь, и при появлении новой фазы (изменении состава фаз) температура изменяется не только за счет охлаждения, но и за счет выделения скрытой теплоты фазового превращения, вследствие чего скорость снижения температуры уменьшается. При переходе из двухфазной в однофазную область скорость снижения температуры вновь определяется только скоростью отвода тепла. Пересечение линией состава сплава горизонтальной границы фазовой области соответствует трехфазному равновесию, при этом s = 2 – 3 + 1 = 0. Поэтому и температура, и составы фаз останутся неизменными вплоть до окончания фазового превращения, т.е. на кривой охлаждения сплава будет температурная остановка. Для определения химического состава фаз в двухфазной области следует через точку, выражающую состояние сплава, т.е. лежащую на пересечении координат «заданная температура" - «состав сплава» (точку X для сплава II), провести горизонтальную прямую (коноду) до пересечения с границами двухфазной области (точки m и n на линиях АЕ и АВ). Проекции этих точек на ось концентрации указывают составы тех фаз, на границе с которыми эти точки расположены, а именно, m' — состав β-фазы, а n' — состав жидкости. Следовательно, в β-фазе содержится 27% Аg и 73% Ti, а в жидкости — 72% Аg и 28% Тi. Для определения количественного соотношения фаз необходимо применить правило отрезков. Относительное количество β-фазы в сплаве II при температуре точки Х Qβ/Q = xn / mn = (72—55) / (72—27) = 0,38, а относительное количество жидкости QL/Q = mх / mn = (55—27) / (72—27) = 0,62. 3.3. Задания для контрольной работы 3 1. Изобразить диаграмму состояния системы железо—цементит с использованием принятых буквенных обозначений и нанести на нее фазы, соответствующие каждой области; указать, какому превращению при нагреве и охлаждении отвечает каждая линия этой диаграмме. 35

Нарисовать диаграмму состояния системы железо—цементит еще раз и указать структурные составляющие в различных областях диаграммы ниже линии солидус. Для двух сплавов (I и II) с содержанием углерода, указанным в табл. 3, описать превращения, происходящие в сплавах при охлаждении; построить кривые охлаждения; указать окончательные структуры сплавов и определить относительные количества фаз и структурных составляющих в них при комнатной температуре. Таблица 3 Содержание углерода в сплавах (%) для вариантов

Сплавы I II

0 0,2 2,4

1 0,4 2,8

2 0,6 3,2

3 0,8 3,6

4 1,0 4,0

5 1,2 4,4

6 1,4 4,8

7 1,6 5,2

8 1,8 5,6

9 2,0 6,0

Сплав I выбрать по предпоследней цифре шифра, а сплав II — по последней цифре. 2. Пользуясь данными табл. 4, рассчитать содержание углерода в сером ферритом чугуне. Таблица 4 Варианты

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Объемная доля графита в чугуне, %

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Номер варианта выбрать по предпоследней цифре шифра. 3. Дать характеристику пластических масс (пластмасс) как сложной многокомпонентной системы. Перечислить основные типы вводимых в них добавок, придающих пластмассам необходимые свойства. Дать развернутую характеристику полимерным материалам, приведенным в табл. 5. Таблица 5 Вариант 0 1 2 3 4

Наименования пластмасс Древесно-слоистый пластик Текстолит Гетинакс Стеклопластик Углепластик 36

5 6 7 8 9

Боропластик Полиэтилен Полистирол Фторопласт Полиуретан

Номер варианта выбрать по последней цифре шифра. 4. Охарактеризовать керамическиу материалы, приведенные в табл. 6. Таблица 6 Вариант

Наименование керамики

0 1 2 3 4 5 6

Оксидная на основе Аl2O3 Оксидная на основе ZrО2 Оксидная на основе МgО Оксидная на основе ВеО Оксидная на основе ТhО2 Карбидная на основе SiС Оксидно-карбидная на основе Аl2O3, карбидов и оксидов тугоплавких металлов Оксидно-нитридная на основе Аl2O3 и нитридов титана Нитридная на основе Si3N4 Нитридная на основе ВN

7 8 9

Номер варианта выбрать по предпоследней цифре шифра. Указания При ответе на вторую часть первого вопроса необходимо использовать правило отрезков, которое применимо и для расчета относительного количества структурных составляющих. В этом случае конода проводится до концентрационных границ соответствующей структурной области. Например, в заэвтектическом белом чугуне — от чистого ледебурита (4,3% С) до чистого цементита (6,67% С). При ответе на второй вопрос необходимо руководствоваться следующим. Серый ферритный чугун состоит из феррита и графита. Поскольку растворимость углерода в феррите ничтожно мала, можно считать, что весь углерод чугуна находится в графите. Плотности графита и феррита значительно различаются, поэтому определяемая по микроструктуре объемная доля графита 37

не равна содержанию углерода в чугуне в процентах по массе (т.е. химическому составу чугуна). Масса гетерогенного сплава, состоящего из n фаз: G = Σ Vidi, (4) где Vi — объем (или объемная доля) i-й фазы (Σ Vi = V — объему сплава); di — плотность i-й фазы. Вычислив массу интересующей i-й фазы Gi, можно рассчитать ее долю (или процентное содержание по массе) в сплаве: Gi = Gi / G. (5) При расчетах следует принять плотность феррита равной 7,86•103 кг/м3, а плотность графита - 2,23•103 кг/м3; объем чугуна (V) составляет 100%.

38

Содержание Предисловие………………………………………………………….

3

1. Содержание дисциплины…………………………………………

3

1.1. Содержание дисциплины по ГОС……………………………..

3

1.2. Рабочая программа……………………………………………..

4

1.2.1. Физико-химические основы материаловедения…………….

4

1.2.2. Строение кристаллических материалов……………………..

6

1.2.3. Теория сплавов………………………………………………..

14

1.2.4. Строение неметаллических материалов…………………….

20

1.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения……………………………………………………………

22

1.4. Перечень тем практических занятий………………………….

22

1.5. Перечень тем лабораторных занятий………………………….

23

2. Библиографический список………………………………………

23

3. Задания на контрольные работы и методические указания к их выполнению……………………………………………………………

24

3.1. Задания для контрольной работы 1 …………………………..

24

3.2. Задания для контрольной работы 2 …………………………..

27

3.3. Задания для контрольной работы 3 …………………………..

34

39

Редактор М.Ю. Комарова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать Б. кн.-журн. П.л. Б.л. Тираж экз.

Формат 60х84 1/16 РТП РИО СЗТУ Заказ

_______________________________________________________________________________________________

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов России 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

40