- •Содержание:
- •Глава 1. Строение и свойства материалов…………………………………….……………3
- •Глава 2. Свойства материалов……………………………………………………………...10
- •Глава 1. Строение и свойства материалов.
- •1.2.3. Анизотропия
- •1.3.4 Металлические кристаллы
- •1.4. Фазовый состав сплавов
- •1.4.1. Твердые растворы
- •1.4.2. Промежуточные фазы
- •1.5 Дефекты кристаллов
- •1.5.1 Точечные дефекты
- •1.5.2. Линейные дефекты
- •1.5.3. Поверхностные дефекты
- •Глава 2. Свойства материалов.
- •2.2. Механические свойства материалов
- •2.2.1. Механические свойства, определяемые при статических нагрузках
- •Глава 3. Формирование структуры литых материалов.
- •3.1 Самопроизвольная кристаллизация
- •3.2. Несамопроизвольная кристаллизация
- •3.3 Форма кристаллов и строение слитков
- •3.4. Получение монокристаллов
- •3.5 Аморфные металлы
- •3.6. Нанокристаллические материалы
- •Глава 5. Формирование структуры деформированных металлов
- •5.1. Пластическое деформирование моно- и поликристаллов
- •5.1.1. Механизм пластического деформирования
- •5.1.2. Особенности деформирования монокристаллов
- •5.1.3. Деформирование поликристаллов
- •5.1.4. Деформирование двухфазных сплавов
- •5.1.5. Свойства холоднодеформированных металлов
- •5.2 Возврат и рекристаллизация
- •Глава 6. Термическая обработка сплавов.
- •6.1 Виды термической обработки
- •Глава 9. Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность.
- •9.1. Классификация конструкционных сталей
Глава 3. Формирование структуры литых материалов.
Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов — зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно — самопроизвольная кристаллизация — или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации — несамопроизвольная кристаллизация.
3.1 Самопроизвольная кристаллизация
Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G.
С повышением температуры термодинамический потенциал вещества как в твердом, так и в жидком состоянии уменьшается.
Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации. Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной. Плавление — процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т.е. при перегреве. Разница между реальными температурами плавления и кристаллизации называется температурным гистерезисом.
В связи с этим на кривой охлаждения, изображаемой в координатах температура — время, процессу кристаллизации соответствует горизонтальный участок. При большом объеме жидкого металла выделяющаяся при кристаллизации теплота повышает температуру практически до равновесной; при малом объеме металла выделяющейся теплоты недостаточно, вследствие чего кристаллизация происходит с переохлаждением по сравнению с равновесной температурой.
Разница между равновесной Т(крист) и реальной Т температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения AT. Степень переохлаждения зависит от природы металла. Она увеличивается с повышением чистоты металла и ростом скорости охлаждения. Обычная степень переохлаждения металлов при кристаллизации в производственных условиях колеблется от 10 до 30°С; при больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т.е. отклонения энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.
Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста. Первая измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема, вторая — увеличением линейного размера растущего кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры.
Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.