МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО УЗУЧЕНИЮ КУРСА

Введение

Материаловедение как наука. Роль материалов в современной технике. Классификация материалов.

При изучении этого раздела необходимо четко уяснить, что изучает материаловедение.

В настоящее время известно огромное количество различных материалов. Поэтому особое внимание следует уделить классификации известных в настоящее время материалов.

Вопросы для самопроверки

1. Что изучает материаловедение как наука? 2. На какие группы можно разделить все известные материалы? Какие Вы знаете металлические материалы?

Раздел 1. Формирование структуры  металлов и сплавов

Строение материалов

Химические связи в материалах и определяемые ими свойства. Фазы и структурные составляющие. Гомогенные и гетерогенные материалы. Кристаллические и аморфные фазы. Типы кристаллических решеток и их характеристики. Полиморфизм. Дефекты кристаллического строения.

При изучении этой темы, необходимо четко уяснить какие химические связи присутствуют в материалах, и какой тип связи характерен для металлов. Изучите, какими свойствами обладают металлы. Уясните понятия «система», «фаза», «структура», «гомогенные и гетерогенные материалы». Выясните различие между кристаллическим и аморфным состоянием, а также возможность существования одних и тех же материалов в разных формах – аморфной и кристаллической.

Металлические тела характеризуются кристаллическим строением и образуют кристаллическую решетку. Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

Среди технических материалов широко распространён полиморфизм, поэтому его изучение имеет крайне важное значение для обработки и эксплуатации материалов.

Однако свойства реальных кристаллов определяются известными несовершенствами кристаллического строения. В связи с этим необходимо разобраться в видах несовершенств, и особенно в строении дислокаций (линейных несовершенств), причинах их легкого перемещения в кристаллической решетке и влияния на механические свойства.

Вопросы для самопроверки

1. Какие Вы знаете виды химических связей? 2. Что такое «система», «фаза», «структура»? 3. В чём состоит различие кристаллического и аморфного состояний в материалах? 4. Что такое элементарная ячейка? 5. Какие типы кристаллических решеток Вы знаете? 6. Что такое параметр кристаллической решетки, плотность упаковки и координационное число? 7. Что собой представляет полиморфизм? Приведите примеры полиморфизма. 8. Какие дефекты кристаллического строения Вы знаете? 9. Виды дислокаций и их строение.

Кристаллизация материалов

Термодинамические основы фазовых превращений. Особенности кристаллизации. Образование и рост зародышей. Теория Таммана. Кривые охлаждения. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. Модифицирование. Дендрит Чернова. Строение слитка. Полиморфные превращения.

Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы: стремление любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае свободной энергии). Уясните теоретические основы процесса кристаллизации, состоящего из двух элементарных процессов: зарождения и роста кристаллов, и влияния на эти параметры степени переохлаждения. Изучите, какие факторы влияют на процесс кристаллизации, в чём заключается теория Таммана. Выясните, в чём отличие гомогенной и гетерогенной кристаллизации и для чего необходимо модифицирование. Изучите строение литого слитка и дендрит Чернова. Нужно также обратить внимание на возможность полиморфных превращений и их особенностей.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы необходимые условия для протекания процесса кристаллизации? 2. Что характеризуют кривые Таммана? 3. Чем отличаются гомогенная и гетерогенная кристаллизация? 4. Как можно получить мелкозернистую структуру в литом металле? 5. Что такое модифицирование и для чего оно проводится? 6. Какую форму имеют кристаллы? Что собой представляет дендрит Чернова? 7. Каково строение металлического слитка? 8. Что такое полиморфное превращение и каковы необходимые условия для его протекания?

Основы теории сплавов

Сплавы. Понятие о компонентах. Фазы и структурные составляющие в сплавах. Правило фаз. Диаграммы состояния двойных сплавов. Диаграмма с полной растворимостью компонентов. Правила концентраций и отрезков. Неравновесная кристаллизация. Внутрикристаллическая ликвация. Диаграммы с ограниченной растворимостью компонентов (эвтектического и перитектического типа). Диаграмма состояния сплавов с химическим соединением. Диаграмма состояния систем с полиморфным и эвтектоидным превращениями.

Превращения в твердом состоянии. Возможность применения к сплавам с переменной растворимостью упрочняющей термической обработки. Закалка и старение. Дисперсионное упрочнение.

Необходимо отчетливо представлять строение металлов и сплавов в твердом состоянии. Уясните, что такое компонент, фаза, твердый раствор, химическое (металлическое) соединение, механическая смесь.

Наглядное представление о состоянии любого сплава в зависимости от его состава и температуры дают диаграммы состояния для различных случаев взаимодействия компонентов в твердом состоянии. Изучите диаграмму с полной растворимостью компонентов, диаграммы с ограниченной растворимостью компонентов (эвтектического и перитектического типа),диаграмму состояния сплавов с химическим соединением, диаграмму состояния систем с полиморфным и эвтектоидным превращениями. Выясните, что представляет собой неравновесная кристаллизация. Разберитесь, в чём причина образования внутрикристаллической ликвации.

При изучении диаграмм состояния нужно научиться применять правило отрезков (для определения доли каждой фазы или структурной составляющей в сплаве), правило фаз (для построения кривых нагревания и охлаждения).

Изучить превращения в сплавах с переменной растворимостью, происходящие при закалке. Уяснить, что представляет собой дисперсионное упрочнение (старение).

Вопросы для самопроверки

1. Что такое компонент, фаза, физико-химическая система, число степеней свободы? 2. Приведите объяснение твердого раствора, механической смеси, химического (металлического) соединения. 3. Что представляют собой твердые растворы замещения и внедрения? 4. Как строятся диаграммы состояния? 5. Объясните принцип построения кривых нагревания и охлаждения с помощью правила фаз. 6. Как будет выглядеть участок кривой охлаждения, если число степеней свободы равно двум и имеется одна фаза? То же, для числа степеней свободы, равного единице, в случае выпадения твердой фазы из жидкой. То же, для числа степеней свободы, равного нулю. 7. Начертите  и проанализируйте диаграмму состояния с полной растворимостью компонентов. 8. Опишите процесс неравновесной кристаллизации сплавов. Что такое внутрикристаллическая ликвация и как она формируется? 9. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния  с ограниченной растворимостью компонентов эвтектического типа. 10. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния  с ограниченной растворимостью компонентов перитектического типа. 11. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния сплавов с химическим соединением. 12. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния систем с полиморфным и эвтектоидным превращениями. 13. Каким образом определяется доля каждой фазы или структурной составляющей в сплаве? 14. В чем различие между эвтектоидным и эвтектическим превращениями? 15. Как можно получить перенасыщенный твердый раствор в сплаве с переменной растворимостью? Как называется такой технологический процесс?