Ответы по материаловедению

1. Понятие о  металлах. Природа металлической  связи. Роль русских ученых  в развитии науки о металлах.

Металлы это  вещества, обладающие металлическим  блеском, пластичностью, высокой прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью.

Особенность строения -  все построены из таких атомов, у которых внешние электроны  слабо связаны с ядром. Это  наличие свободных электронов и  обуславливает высокую электро- и теплопроводность.

Плотная, но пластичная кристаллическая решетка.

Аносов впервые использовал микроскоп, разрабатывал способ производства качественной стали (сталь с опред хим и физ св-ми). Чернов - при нагреве сталь меняет свою структуру. Бочвар обнаружил сверхпластичность. 

2. Атомно-кристаллическое  строение металла. Понятие о  кристаллической решетке. Период решетки. Плотность КР. Координационное число.

Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Пери́од КР — длина ребра элементарной ячейки КР(расстояние между соседними атомами)

Плотность КР это объем, занятый атомами в КР.

Координационное число – число атомов, находящихся  на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем  оно больше, тем плотнее.  

3. Кристаллизация  металлов. Понятие о степени переохлаждения. Параметры кристаллизации и их  зависимость от степени переохлаждения. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Формы и размеры растущих кристаллов. Строение стального слитка. Аморфное состояние металла.

Кристаллизация — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов.

В аморфном веществе атомы расположены хаотично, а  в кристаллическом — в строго определенном порядке.

Степень переохлаждения — уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию.

Процесс кристаллизации состоит из образования центров  кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения.

Рис. Зависимость числа центров кристаллизации (ЧЦ) и скорости роста кристаллов (СК) от степени переохлаждения 

Строение стального  слитка внутри – крупные зерна, потом макроструктура, снаружи мелкие зерна. 
 
 

4. Анизотропия  свойств кристаллов. Явление полиморфизма  в металлах.

Анизотропия –  свойства в разл направлениях различны.

Полиформизм - возможное  существования металлов в различных  кристаллизационных модификациях. Полиморфные металлы – железо, олово, титан.

При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной  температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией 

5. Механические  свойства металлов, определяемых  при статических, динамических  и циклических нагрузках. 

Механические  свойства - способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических  испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. 

6. Дефекты кристаллического  строения. Точечные дефекты, механизм их образования и миграции.

Точечные  дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки в которых отсутствуют атомы (рис. 6, а), а также замещенные атомы примеси (рис. 6, б) и внедренные атомы (рис. 6, в) которые могут быть как примесными, так и атомами основного металла.

Точечные  дефекты вызывают местные искажения  кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта. 

7. Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Краевая и винтовая дислокация. Вектор Бюргерса. Роль дислокаций в упрочнении металлов.

Линейные дефекты  –  в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами  атомов.

Линейные дефекты  – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Дислокации могут быть краевые и винтовые.

Краевая дислокация - локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Винтовая  дислокация - искажение происходит по винтовой плоскости.

Контур Бюргерса проводится через атомы в решетке в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если контур проводится  в совершенной решетке, то он является замкнутым прямоугольником, в котором последний из векторов приходит в начальную точку. Если же контур охватывает дислокацию, то он имеет разрыв, величина и направление которого определяет вектор Бюргерса дислокации.

При значит увелич плотности дислок  и уменьшении их подвижности прочность увел в неск-ко раз по сравнению с отожженным состоянием. 

8.  Поверхностные  (двумерные) дефекты. Малоугловые  и большеугловые границы.

Поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если  под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит  из отдельных зерен, т.е. имеет место  зеренное строение. Наиболее дефектные  участки в структуре – границы  зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков. Это так называемые блоки мозаики. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы называются малоугловыми границами. 

9. Влияние  холодной пластической деформации  на строение, физ и механические  св-ва металла.

Пластические  деформации — это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений.

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками. 

10. Влияние нагрева  после холодной пластической  деформации на структуру и  свойства металлов.

Если деформирование металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации, то наклеп после деформации не возникает. Такая деформация называется горячей. Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому  состояние наклепа может сохраняться  неограниченно долго.

 При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация. 

11. Горячая пластическая деформация  (ГПД) слитка.  Влияние ГПД на структуру и свойства металла. Анизотропия механических свойств.

Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после  холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная  обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера  зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. 

12. Сверхпластичность  металлов и сплавов. Условия проявления сверхпластичности. Промышленное использование.

Сверхпластичность -  способность металла к пластической деформации в определенных условиях при малом сопротивлении деформированию.

Признаки состояния  сверхпластичности проявляются  в определенных условиях; из них принципиальное значение имеют структурное состояние деформируемого материала, температурные условия и скорость деформации.

По структурному признаку различают:

а) сверхпластичность, обусловленную чрезвычайно мелкозернистой структурой (структурная пластичность);

б) сверхпластичность, связанную с фазовыми превращениями (пластичность при превращении).

Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрев штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций. 

13. Строение сплавов.  Система, компонент, фаза, структурная  составляющая.

Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии. Компоненты сплава - химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. Фаза - однородная часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела.. Структурные составляющие - обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. 

14. Виды взаимодействия  компонентов в сплавах. Твердые растворы. Растворимость компонентов в твердом состоянии. Типы твердых растворов. Условие их образования.

При понижении  температуры и кристаллизации из жидкой фазы выделяются твердые фазы. Твердые растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания.

Замещение - фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта.

Внедрение - фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между атомами второго компонента - растворителя.

Вычитание - фазы на основе химических соединений.

При полной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии микроструктура всех сплавов представляет собой зерна твердого раствора. При ограниченной растворимости, которая характерна для многих сплавов, структура состоит из смеси двух фаз.