Презентация, доклад по материаловедению на тему Физико-химические основы материаловедения

-1-

Невзорова Наталья Александровна
Преподаватель
Материаловедение. Общепрофессиональный цикл
ГБПОУ «Павловский автомеханический техникум им. И.И. Лепсе»

НАХОДЯТСЯ АТОМЫ В СТРОГО ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮЩЕМСЯ ПОРЯДКЕ.
НАИМЕНЬШИЙ ОБЪЕМ КРИСТАЛЛА ПРИ ТРАНСЛЯЦИИ КОТОРОГО ПО КООРДИНАТНЫМ ОСЯМ ВОСПРОИЗВОДИТСЯ ВСЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА, НАЗЫВАЕТСЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКОЙ.

Рисунок 1- Кристаллическая решётка

Рисунок 2- Кристаллическая решётка йода

КУБИЧЕСКАЯ (ОЦК);
(LI, NA, CR, MO)
В) ГЕКСАГОНАЛЬНАЯ ПЛОТНОУПАКОВАННАЯ (ГП) РЕШЕТКА.
(BE, MG, СD, TI, ZN)

Рисунок 3 - Типы кристаллический решёток

КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК.
ДЛЯ РЕАЛЬНОГО МЕТАЛЛА ХАРАКТЕРНО НАЛИЧИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА ДЕФЕКТОВ СТРОЕНИЯ, НАРУШАЮЩИХ ПЕРИОДИЧНОСТЬ РАСПОЛОЖЕНИЯ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ.
ЭТИ ДЕФЕКТЫ ОКАЗЫВАЮТ СУЩЕСТВЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА.
РАЗЛИЧАЮТ ТРИ ТИПА ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ: ТОЧЕЧНЫЕ, ЛИНЕЙНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ.

:ВАКАНСИИ, МЕЖУЗЛОВЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ.
ВАКАНСИИ - ОТСУТСТВИЕ АТОМА В УЗЛЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.
ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ:
АТОМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ -ЧУЖЕРОДНЫЕ АТОМЫ, КОТОРЫЕ ЗАМЕЩАЮТ МЕСТА В УЗЛАХ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ;
АТОМЫ ВНЕДРЕНИЯ - ЧУЖЕРОДНЫЕ АТОМЫ, КОТОРЫЕ ВНЕДРЯЮТСЯ В МЕЖУЗЛОВОЕ ПРОСТРАНСТВО КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.

Рисунок 4 -Точечные дефекты:
а)вакансии;
б)межузельные атомы

НО ИМЕЮТ ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ ПРОТЯЖЕННОСТЬ В ТРЕТЬЕМ ИЗМЕРЕНИИ.
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЙ ВИД ЛИНЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ — ДИСЛОКАЦИИ .
ВБЛИЗИ ЛИНИИ ДИСЛОКАЦИИ АТОМЫ СМЕЩЕНЫ СО СВОИХ МЕСТ И КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА ИСКАЖЕНА, ЧТО ВЫЗЫВАЕТ ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ: ВЫШЕ ЛИНИИ ДИСЛОКАЦИИ РЕШЕТКА СЖАТА, А НИЖЕ РАСТЯНУТА.
ПРИВЕДЕНА СХЕМА УЧАСТКА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ С ОДНОЙ «ЛИШНЕЙ» АТОМНОЙ ПОЛУПЛОСКОСТЬЮ, Т. Е. КРАЕВОЙ ДИСЛОКАЦИЕЙ (РИС.4) И ВИНТОВЫЕ ДИСЛОКАЦИИ (РИС.5)

Рисунок 5- Винтовая дислокация

Рисунок 4-Краевая дислокация

ДВУХ ДРУГИХ ИЗМЕРЕНИЯХ.
ОБЫЧНО ЭТО МЕСТА СТЫКА ДВУХ ОРИЕНТИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.
ИМИ МОГУТ БЫТЬ ГРАНИЦЫ ЗЕРЕН, ГРАНИЦЫ ФРАГМЕНТОВ ВНУТРИ ЗЕРНА, ГРАНИЦЫ БЛОКОВ ВНУТРИ ФРАГМЕНТОВ.
СОСЕДНИЕ ЗЕРНА ПО СВОЕМУ КРИСТАЛЛИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ ИМЕЮТ НЕОДИНАКОВУЮ ПРОСТРАНСТВЕННУЮ ОРИЕНТИРОВКУ РЕШЕТОК.

Рисунок 6 – Вектор Бюргерса

ТВЕРДОЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ.

В соответствии со схемой (рис.7) выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей и продолжается при их росте.

Рисунок 7 - Зависимость свободной энергии металла от температуры

Рисунок 8 - Схема кристаллизации металла

МЕТАЛЛА:
ДО ТОЧКИ 1 ОХЛАЖДАЕТСЯ МЕТАЛЛ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ, ПРОЦЕСС СОПРОВОЖДАЕТСЯ ПЛАВНЫМ ПОНИЖЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ.
НА УЧАСТКЕ 1 – 2 ИДЕТ ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, СОПРОВОЖДАЮЩИЙСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ ТЕПЛА, КОТОРОЕ НАЗЫВАЕТСЯ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.
ОНО КОМПЕНСИРУЕТ РАССЕИВАНИЕ ТЕПЛОТЫ В ПРОСТРАНСТВО, И ПОЭТОМУ ТЕМПЕРАТУРА ОСТАЕТСЯ ПОСТОЯННОЙ.
ПОСЛЕ ОКОНЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В ТОЧКЕ 2 ТЕМПЕРАТУРА СНОВА НАЧИНАЕТ СНИЖАТЬСЯ, МЕТАЛЛ ОХЛАЖДАЕТСЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ.

Рисунок 9 - Кристаллизация чистого металла

- ЗОНА СТОЛБЧАТЫХ КРИСТАЛЛОВ;
3 - ВНУТРЕННЯЯ ЗОНА КРУПНЫХ РАВНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ КОРКОВОЙ ЗОНЫ ИДЕТ В УСЛОВИЯХ МАКСИМАЛЬНОГО ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ. СКОРОСТЬ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ БОЛЬШИМ ЧИСЛОМ ЦЕНТРОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ. ОБРАЗУЕТСЯ МЕЛКОЗЕРНИСТАЯ СТРУКТУРА.
ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ ПОД КОРКОВОЙ ЗОНОЙ НАХОДИТСЯ В УСЛОВИЯХ МЕНЬШЕГО ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ. ЧИСЛО ЦЕНТРОВ ОГРАНИЧЕНО И ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РЕАЛИЗУЕТСЯ ЗА СЧЕТ ИХ ИНТЕНСИВНОГО РОСТА ДО БОЛЬШОГО РАЗМЕРА.
РОСТ КРИСТАЛЛОВ ВО ВТОРОЙ ЗОНЕ ИМЕЕТ НАПРАВЛЕННЫЙ ХАРАКТЕР. ОНИ РАСТУТ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО СТЕНКАМ ИЗЛОЖНИЦЫ, ОБРАЗУЮТСЯ ДРЕВОВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ – ДЕНДРИТЫ (РИС.11). РАСТУТ ДЕНДРИТЫ С НАПРАВЛЕНИЕМ, БЛИЗКИМ К НАПРАВЛЕНИЮ ТЕПЛООТВОДА.

Рисунок 10 - Строение
металлического слитка

Рисунок 11 – изображение
дендритного кристалла

ИМЕТЬ РАЗЛИЧНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ.
МНОГИЕ МЕТАЛЛЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ МОГУТ СУЩЕСТВОВАТЬ В РАЗНЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМАХ ИЛИ, КАК ИХ НАЗЫВАЮТ, В РАЗНЫХ ПОЛИМОРФНЫХ МОДИФИКАЦИЯХ.
В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АТОМЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕЛА, ИМЕЮЩИЕ РЕШЕТКУ ОДНОГО ТИПА, ПЕРЕСТРАИВАЮТСЯ ТАКИМ ОБРАЗОМ, ЧТО ОБРАЗУЕТСЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА ДРУГОГО ТИПА (РИС.12А).
В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ОБРАЗУЮТСЯ НОВЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЗЕРНА, ИМЕЮЩИЕ ДРУГОЙ РАЗМЕР И ФОРМУ, ПОЭТОМУ ТАКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ ТЕПЛОТЫ. ПОЛИМОРФНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ПО СВОЕМУ МЕХАНИЗМУ - КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС, ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЙ ПУТЕМ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАРОДЫШЕЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ИХ РОСТА (РИС.12Б).

Рисунок 12 - Кривая охлаждения металла, имеющего две полиморфные формы:
а-с решёткой ГПУ;
б-с решёткой ГЦК

СПЛАВА, СОХРАНЯЕТ ПРИСУЩУЮ ЕМУ КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ РЕШЕТКУ, А ДРУГОЙ, В ВИДЕ ОТДЕЛЬНЫХ АТОМОВ, РАСПРЕДЕЛЯЕТСЯ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ПЕРВОГО.
РАЗЛИЧАЮТ РАСТВОРЫ ВНЕДРЕНИЯ И ЗАМЕЩЕНИЯ.
ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ ВНЕДРЕНИЯ - ОБРАЗУЮТСЯ, КОГДА АТОМЫ ИЛИ ИОНЫ ОДНОГО ВЕЩЕСТВА ВНЕДРЯЮТСЯ (ИЛИ РАСПОЛАГАЮТСЯ МЕЖДУ) АТОМАМИ ИЛИ ИОНАМИ ДРУГОГО ВЕЩЕСТВА
В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ ЗАМЕЩЕНИЯ ИОНЫ ИЛИ АТОМЫ ОДНОГО ВЕЩЕСТВА ЗАМЕЩАЮТ ИОНЫ ИЛИ АТОМЫ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ДРУГОГО ВЕЩЕСТВА БЕЗ СУЩЕСТВЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ КРИСТАЛЛА.

Рисунок 13 - Схема твёрдого раствора
внедрения и замещения

ДВУХ ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.
ТЕРМИН «СОЕДИНЕНИЕ» ОЗНАЧАЕТ: РАЗНЫЕ ЧАСТИ ТАК СВЯЗАНЫ ДРУГ С ДРУГОМ, ЧТО ВОЗНИКЛО НОВОЕ ВЕЩЕСТВО, С ДРУГИМИ СВОЙСТВАМИ, ЧЕМ У ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ.
В ХИМИЧЕСКОМ СОЕДИНЕНИИ СВЯЗИ ТАКОВЫ, ЧТО УЖЕ НЕЛЬЗЯ РАЗЛИЧИТЬ СВОЙСТВА ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ.
ТАК, НАПРИМЕР, НЕЛЬЗЯ ОБНАРУЖИТЬ СВОЙСТВА СЕРЫ ИЛИ МЕДИ В CUSO4.

Рисунок 14 - Химическое соединение

ЛИНИЯ M2N – ЛИНИЯ СОЛИДУС.
ТОЧКИ М И N – ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ А И В.
ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЖИДКОГО СПЛАВА В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ЛИКВИДУС И СОЛИДУС (ОТ ТОЧКИ 1 ДО ТОЧКИ 2) ПРОИСХОДИТ ВЫПАДЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Α РАЗНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ ОТ ТОЧКИ С ДО ТОЧКИ 2.
ПРИ МЕДЛЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВСЕХ ЗЕРЕН ТВЕРДОГО РАСТВОРА ВЫРАВНИВАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ДИФФУЗИИ МЕЖДУ КРИСТАЛЛАМИ.
ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ СПЛАВА В ИНТЕРВАЛЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОТ T1 ДО T2 СИСТЕМА БУДЕТ МОНОВАРИАНТНОЙ (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Рисунок 15 - Диаграмма состояния 2 рода
сплавов с неограниченной
растворимостью компонентов в
твердом состоянии
 

ЛИНИЯ МДECN – ЛИНЯ СОЛИДУС.
ТОЧКИ М И N – ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ А И В.
ТОЧКА Д – МАКСИМАЛЬНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ КОМПОНЕНТОВ В В КОМПОНЕНТЕ А.
ТОЧКА С – МАКСИМАЛЬНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ КОМПОНЕНТА А В КОМПОНЕНТЕ В.
ТОЧКА Е – ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ ТОЧКА. ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЖИДКОГО СПЛАВА ЭТОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ T1 ПРОИСХОДИТ ОДНОВРЕМЕННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Α И Β С ОБРАЗОВАНИЕМ ЭВТЕКТИКИ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ КРИСТАЛЛОВ Α И Β.
СОГЛАСНО ПРАВИЛУ ФАЗ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ T1 ДО ПОЛНОГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СПЛАВА СИСТЕМА БУДЕТ НОНВАРИАНТНОЙ
(С = 2 – 3 + 1 = 0).
ПРИ МЕДЛЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Α ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ T1 ДО КОМНАТНОЙ В СВЯЗИ С УМЕНЬШЕНИЕМ РАСТВОРИМОСТИ ИЗ НЕГО БУДУТ ВЫДЕЛЯТЬСЯ СУБМИКРОСКОПИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Β (ВТОРИЧНЫЕ).

Рисунок 16 -Диаграмма состояния 3 рода сплавов - с ограниченной растворимостью в твердом состоянии

– ЛИНИЯ СОЛИДУС.
ТОЧКИ М И N – ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ А И В.
ТОЧКА Р – ПЕРИТЕКТИЧЕСКАЯ ТОЧКА.
ЛИНИЯ СРД (ТЕМПЕРАТУРА T1) – ПЕРИТЕКТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ.
ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЖИДКОГО СПЛАВА С КОНЦЕНТРАЦИЕЙ F, СООТВЕТСТВУЮЩЕЙ ТОЧКЕ Р, РАНЕЕ ВЫПАВШИЕ КРИСТАЛЛЫ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Β ПОЛНОСТЬЮ РЕАГИРУЮТ С ЖИДКОСТЬЮ И ПРЕВРАЩАЮТСЯ В КРИСТАЛЛЫ Α-ТВЕРДОГО РАСТВОРА.
ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ T1 СИСТЕМА ТАКЖЕ БУДЕТ НОНВАРИАНТНОЙ ДО ЗАВЕРШЕНИЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ
(С = 2 – 3 + 1 = 0).
В ИНТЕРВАЛЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕЖДУ ТОЧКАМИ F И Е ОБРАЗУЕТСЯ СТРУКТУРА ИЗ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Α И Β, А МЕЖДУ ТОЧКАМИ F И А СТРУКТУРА СПЛАВА БУДЕТ СОСТОЯТЬ ИЗ ОДНОЙ ФАЗЫ Α-ТВЕРДОГО РАСТВОРА.

Рисунок 17 - Диаграмма состояния с перитектикой

MNOP – ЛИНИЯ СОЛИДУС.
ТОЧКИ М И N – ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ А И В. ТОЧКА С – ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ АM BN. ТОЧКИ Е1 И Е2 – ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ.
СОСТАВ ЭВТЕКТИКИ Е1 БУДЕТ А+АMBN, ЭВТЕКТИКИ Е2 – B+AMBN. ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ СИСТЕМА БУДЕТ НОНВАРИАНТНОЙ В ОБОИХ СЛУЧАЯХ (С = 2 – 3 + 1 = 0). ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ С УСТОЙЧИВЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ МОЖЕТ БЫТЬ ПРЕДСТАВЛЕНА И В ДРУГИХ ВИДАХ, ГДЕ НАРЯДУ С ЧИСТЫМИ КОМПОНЕНТАМИ И ОДНИМ ХИМИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ МОГУТ БЫТЬ И ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ (ОГРАНИЧЕННЫЕ И НЕОГРАНИЧЕННЫЕ) И ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Рисунок 18 - Диаграмма состояния 5 рода с устойчивыми химическими соединениями

ИЗМЕНЯЮТСЯ ПО ЛИНЕЙНОМУ ЗАКОНУ. ЗНАЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВОЙСТВ СПЛАВА НАХОДЯТСЯ В ИНТЕРВАЛЕ МЕЖДУ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЧИСТЫХ КОМПОНЕНТОВ.
2. ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ СВОЙСТВА СПЛАВОВ ИЗМЕНЯЮТСЯ ПО КРИВОЛИНЕЙНОЙ ЗАВИСИМОСТИ, ПРИЧЕМ НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА, НАПРИМЕР, ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ, МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО ОТЛИЧАТЬСЯ ОТ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ.
3. ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ СВОЙСТВА В ИНТЕРВАЛЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ, ОТВЕЧАЮЩИХ ОДНОФАЗНЫМ ТВЕРДЫМ РАСТВОРАМ, ИЗМЕНЯЮТСЯ ПО КРИВОЛИНЕЙНОМУ ЗАКОНУ, А В ДВУХФАЗНОЙ ОБЛАСТИ – ПО ЛИНЕЙНОМУ ЗАКОНУ. ПРИЧЕМ КРАЙНИЕ ТОЧКИ НА ПРЯМОЙ ЯВЛЯЮТСЯ СВОЙСТВАМИ ЧИСТЫХ ФАЗ, ПРЕДЕЛЬНО НАСЫЩЕННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ, ОБРАЗУЮЩИХ ДАННУЮ СМЕСЬ.
4. ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ ОТВЕЧАЕТ МАКСИМУМУ НА КРИВОЙ. ЭТА ТОЧКА ПЕРЕЛОМА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ХИМИЧЕСКОМУ СОЕДИНЕНИЮ, НАЗЫВАЕТСЯ СИНГУЛЯРНОЙ ТОЧКОЙ.

Рисунок 19 - Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

АТОМ УГЛЕРОДА РАСПОЛАГАЕТСЯ В РЕШЕТКЕ ФЕРРИТА В ЦЕНТРЕ ГРАНИ КУБА, А ТАКЖЕ В ДЕФЕКТАХ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ. ПРЕДЕЛЬНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ УГЛЕРОДА В Α-ФЕРРИТЕ 0,02% ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 727 ОС И МЕНЕЕ 0,01% ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ. ПОД МИКРОСКОПОМ ФЕРРИТ ВЫЯВЛЯЕТСЯ В ВИДЕ ОДНОРОДНЫХ ПОЛИЭДРИЧЕСКИХ (МНОГОГРАННЫХ) ЗЕРЕН. ТВЕРДОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ ФЕРРИТА НЕВЫСОКИ (ΣB=250 МПА, НВ =800 МПА).
АУСТЕНИТ (А) - ТВЕРДЫЙ РАСТВОР УГЛЕРОДА И ДРУГИХ ПРИМЕСЕЙ В Γ-ЖЕЛЕЗЕ. ПРЕДЕЛЬНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ УГЛЕРОДА В Γ-ЖЕЛЕЗЕ - 2,14 % ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 1147ОС И 0,8% ПРИ 727 ОС. АТОМ УГЛЕРОДА РАСПОЛАГАЕТСЯ В ЦЕНТРЕ КУБА, И В ДЕФЕКТНЫХ ОБЛАСТЯХ КРИСТАЛЛА.
ЦЕМЕНТИТ (Ц) - ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ - КАРБИД ЖЕЛЕЗА FE3C, СОДЕРЖАЩИЙ 6,67% С. ЦЕМЕНТИТ ИМЕЕТ СЛОЖНУЮ РОМБИЧЕСКУЮ РЕШЕТКУ С ПЛОТНОЙ УПАКОВКОЙ АТОМОВ. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТИТА ТОЧНО НЕ ОПРЕДЕЛЕНА (ОКОЛО I260°С). К ХАРАКТЕРНЫМ ОСОБЕННОСТЯМ ЦЕМЕНТИТА ОТНОСЯТСЯ ВЫСОКАЯ ТВЕРДОСТЬ (НВ - 8000 МПА) И ОЧЕНЬ МАЛАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ (Δ ОКОЛО 0%).
ГРАФИТ (ГР) - ИМЕЕТ ГЕКСАГОНАЛЬНУЮ СЛОИСТУЮ КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ РЕШЕТКУ. ГРАФИТ МЯГОК, ОБЛАДАЕТ НИЗКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

AHJECF (ЛИНИЯ СОЛИДУС - МЕСТО ТОЧЕК КОНЦА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ) ХАРАКТЕРИЗУЮТ НАЧАЛО И КОНЕЦ ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, ПРОИСХОДЯЩЕЙ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ. ЛИНИИ ES И PQ ПОКАЗЫВАЮТ ПРЕДЕЛЬНУЮ РАСТВОРИМОСТЬ УГЛЕРОДА СООТВЕТСТВЕННО В АУСТЕНИТЕ И ФЕРРИТЕ.
ПРИ ПОНИЖЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСТВОРИМОСТЬ УМЕНЬШАЕТСЯ И ИЗБЫТОК УГЛЕРОДА ВЫДЕЛЯЕТСЯ В ВИДЕ ЦЕМЕНТИТА. ЦЕМЕНТИТ, ВЫДЕЛЯЮЩИЙСЯ ИЗ ЖИДКОГО СПЛАВА, ПРИНЯТО НАЗЫВАТЬ ПЕРВИЧНЫМ, ИЗ АУСТЕНИТА - ВТОРИЧНЫМ, ИЗ ФЕРРИТА - ТРЕТИЧНЫМ.
ТРИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЛИНИИ HJB, ECF И РSК УКАЗЫВАЮТ НА ПРОТЕКАНИЕ ТРЕХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ. ПРИ 1499 °С (ГОРИЗОНТАЛЬ HJB) ПРОИСХОДИТ ПЕРИТЕКТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ Л+Ф→A. В РЕЗУЛЬТАТЕ РЕАКЦИИ ОБРАЗУЕТСЯ АУСТЕНИТ.
ПРИ 1147ЕС (ГОРИЗОНТАЛЬ ECF) ПРОТЕКАЕТ ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ Л →А+Ц (ЖИДКОСТЬ, СОСТАВ КОТОРОЙ СООТВЕТСТВУЕТ ТОЧКЕ С, ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ЭВТЕКТИЧЕСКУЮ СМЕСЬ АУСТЕНИТА, СОСТАВ КОТОРОГО СООТВЕТСТВУЕТ ТОЧКЕ Е, И ЦЕМЕНТИТА, НАЗЫВАЕМУЮ ЛЕДЕБУРИТОМ).
ПРИ 727 ОС (ГОРИЗОНТАЛЬ PSK) ПРОТЕКАЕТ ЭВТЕКТОИДНАЯ РЕАКЦИЯ A → Ф +Ц (В ОТЛИЧИЕ ОТ ЭВТЕКТИКИ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ИЗ ЖИДКОСТИ, ЭВТЕКТОИД ВОЗНИКАЕТ ИЗ ТВЕРДЫХ ФАЗ). ПРОДУКТ ПРЕВРАЩЕНИЯ - ЭВТЕКТОИДНАЯ СМЕСЬ ФЕРРИТА И ЦЕМЕНТИТА, НАЗЫВАЕМАЯ ПЕРЛИТОМ. ПЕРЛИТ ЧАЩЕ ИМЕЕТ ПЛАСТИНЧАТОЕ СТРОЕНИЕ, Т.Е. СОСТОИТ ИЗ ЧЕРЕДУЮЩИХСЯ ПЛАСТИНОК ФЕРРИТА И ЦЕМЕНТИТА. ПОСЛЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЕРЛИТ МОЖЕТ ИМЕТЬ ЗЕРНИСТОЕ СТРОЕНИЕ.
ОДНОФАЗНЫЕ ОБЛАСТИ ДИАГРАММЫ FE – FE3C: ЖИДКИЙ РАСПЛАВ (Л) - ВЫШЕ ЛИНИИ АВСD, ФЕРРИТ (Ф) – ОБЛАСТИ ANH И GPQ, АУСТЕНИТ (А) - ОБЛАСТЬ JESGN.
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ, СОДЕРЖАЩИЕ ДО 0,02% С, НАЗЫВАЮТ ТЕХНИЧЕСКИМ ЖЕЛЕЗОМ.
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ ПРИ СОДЕРЖАНИИ УГЛЕРОДА ОТ 0,02 ДО 2,14% НОСЯТ НАЗВАНИЕ СТАЛЕЙ (ОТ 0,02 ДО 0,8% - ДОЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ, ОТ 0,8 ДО 2,14 % - ЗАЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ).
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ , СОДЕРЖАЩИЕ ОТ 2,14 ДО 6,67 %С НАЗЫВАЮТСЯ ЧУГУНАМИ (ОТ 2,14 ДО 4,3 % С – ДОЭВТЕКТИЧЕСКИЕ, ОТ 4,3 ДО 6,67 %С - ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИЕ ЧУГУНЫ).

Описание диаграммы

СТАЛИ ВОЗРАСТАЕТ СОДЕРЖАНИЕ ЦЕМЕНТИТА. СТРУКТУРА ДОЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ (С < 0,8 %) СОСТОИТ ИЗ ФЕРРИТА И ПЕРЛИТА, ЗАЭВТЕКТОИДНОЙ (C > 0,8 %) - ИЗ ПЕРЛИТА И ЦЕМЕНТИТА. ФЕРРИТ ИМЕЕТ НИЗКУЮ ПРОЧНОСТЬ, ПЛАСТИЧЕН. ЦЕМЕНТИТ ОТЛИЧАЕТСЯ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТЬЮ, НО ХРУПОК, ПОЭТОМУ С УВЕЛИЧЕНИЕМ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В СТАЛИ УВЕЛИЧИВАЮТСЯ ЕЕ ТВЕРДОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, УМЕНЬШАЮТСЯ ВЯЗКОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ. НА РИСУНКЕ ПРИВЕДЕНА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА. ОДНАКО УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРОИСХОДИТ ЛИШЬ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА НЕ ДОСТИГНЕТ 0,8...1 %. ПОСЛЕ ЭТОГО В СТРУКТУРЕ СТАЛИ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН ПЕРЛИТА ПОЯВЛЯЕТСЯ СЕТКА ХРУПКОГО ЦЕМЕНТИТА, КОТОРАЯ ЛЕГКО РАЗРУШАЕТСЯ ПРИ НАГРУЗКАХ. ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ ЗЕРНИСТЫЙ ПЕРЛИТ, УСТРАНИВ СЕТКУ ЦЕМЕНТИТА, ЗАЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ ПОДВЕРГАЮТ ОТЖИГУ. С УВЕЛИЧЕНИЕМ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА УХУДШАЮТСЯ СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛИ И СПОСОБНОСТЬ ДЕФОРМИРОВАТЬСЯ В ГОРЯЧЕМ И ОСОБЕННО В ХОЛОДНОМ СОСТОЯНИИ. ХОРОШО ОБРАБАТЫВАЮТСЯ РЕЗАНИЕМ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ (СОДЕРЖАНИЕ С 0,3...0,4 %). НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДАЮТ ПЛОХУЮ ПОВЕРХНОСТЬ. ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ИМЕЮТ ПОВЫШЕННУЮ ТВЕРДОСТЬ И СНИЖАЮТ СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА.

Рисунок 21-Влияние углерода на
механические свойства стали

РАСТВОРЯЮТСЯ В ФЕРРИТЕ, УПРОЧНЯЯ ЕГО. МАРГАНЕЦ УВЕЛИЧИВАЕТ ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ, УМЕНЬШАЕТ ВЛИЯНИЕ СЕРЫ. КРЕМНИЙ И МАРГАНЕЦ ПРИМЕНЯЮТ ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ. В УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ СОДЕРЖИТСЯ ДО 0,8 % МN И ДО 0,4 % SI.
ПОСТОЯННЫЕ ПРИМЕСИ, ОТ КОТОРЫХ ЗАВИСИТ КАЧЕСТВО СТАЛИ, - СЕРА И ФОСФОР. ИСТОЧНИКОМ ЭТИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛИ ЯВЛЯЕТСЯ ПРЕЖДЕ ВСЕГО ЧУГУН, ИЗ КОТОРОГО ПРОИЗВОДЯТ СТАЛЬ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧАХ. СЕРА И ФОСФОР — ВРЕДНЫЕ ПРИМЕСИ. СЕРА ПОНИЖАЕТ ПЛАСТИЧНОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ, ПРИДАЕТ СТАЛИ КРАСНОЛОМКОСТЬ ПРИ ПРОКАТКЕ И КОВКЕ. СЕРА НЕРАСТВОРИМА В СТАЛИ И ОБРАЗУЕТ ЭВТЕКТИКУ FЕ-FЕS С TПЛ = 988 °С, РАСПОЛАГАЮЩУЮСЯ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН. ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ЭВТЕКТИКА СООБЩАЕТ СТАЛИ ХРУПКОСТЬ, ДАЖЕ ПЛАВИТСЯ И ОБРАЗУЕТ В МЕТАЛЛЕ НАДРЫВЫ И ТРЕЩИНЫ. ПРИСУТСТВУЮЩИЙ В СТАЛИ МАРГАНЕЦ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В СУЛЬФИД МNS С TПЛ = 1620°С, ЧТО ВЫШЕ ТЕМПЕРАТУР ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ, ПОЭТОМУ ОН НЕ ОБРАЗУЕТ ЭВТЕКТИКУ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН. МNS СНИЖАЕТ ВЯЗКОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ, УМЕНЬШАЕТ УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ.
ФОСФОР ПРИ КОНЦЕНТРАЦИИ ДО 1,2% РАСТВОРЯЕТСЯ В ФЕРРИТЕ, УМЕНЬШАЯ ЕГО ПЛАСТИЧНОСТЬ; СИЛЬНО ЛИКВИРУЕТ. РАСПОЛАГАЯСЬ ВБЛИЗИ ГРАНИЦ ЗЕРЕН, УВЕЛИЧИВАЕТ ИХ ХРУПКОСТЬ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ. ЭТО ЯВЛЕНИЕ НАЗЫВАЕТСЯ ХЛАДНОЛОМКОСТЬЮ. ГАЗЫ, ПРИСУТСТВУЮЩИЕ В СТАЛИ, ОБРАЗУЮТ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, В СВОБОДНОМ СОСТОЯНИИ НАХОДЯТСЯ В ПОРАХ ИЛИ В ВИДЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ — В ФЕРРИТЕ.
КИСЛОРОД И АЗОТ ДАЮТ ХРУПКИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ, СНИЖАЮТ ВЯЗКОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ СТАЛИ.
ВОДОРОД НАХОДИТСЯ В ТВЕРДОМ РАСТВОРЕ И ЗНАЧИТЕЛЬНО УВЕЛИЧИВАЕТ ХРУПКОСТЬ СТАЛИ, СПОСОБСТВУЕТ ОБРАЗОВАНИЮ ВНУТРЕННИХ ТРЕЩИН В ХРОМИСТЫХ И ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЯХ (ФЛОКЕНЫ).

Влияние постоянных примесей на свойства стали

АРЗАМАСОВ Б.Н. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.- М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ, 2008Г.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!