СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Понятие фазы микро- и макроструктуры

СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. Понятие фазы, микро- и макроструктуры. Современные методы исследования структуры. Фрактография. Термодинамические основы, механизм и кинетика кристаллизации. Модифицирование жидкого металла. Строение металлического слитка. Полиморфные превращения в металлах. Сплав, компонент, фаза, система. Правило фаз. Типы фаз, образующихся в металлических сплавах (твердые растворы, химические соединения, механические смеси)

1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы. 2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50… 2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0, 2 мкм. Для изучения физических свойств материалов применяются: 1. Термический анализ - основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. 2. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов. 3. Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации

Кривая охлаждения чистого металла – теоретическая температура кристаллизации; . – фактическая температура кристаллизации.

Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Механизм кристаллизации

Кинетическая кривая процесса кристаллизации

Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Модифицирование жидкого металла Модифицирование - процесс когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы По механизму воздействия модификаторы различают: 1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации. 2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Схема стального слитка

Схема дендрита по Чернову Д. К.

Полиморфные превращения в металлах. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Сплав, компонент, фаза, система. Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Правило фаз. Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси; химические соединения; твердые растворы. Схема микроструктуры Кристаллическая решетка Схема микроструктуры механической смеси химического соединения твердого раствора

Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния системы с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (1 рода) (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния