Кристаллизация сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Понятия кристаллизации сплавов. Первичная и вторичная. Отличия. Дендритная ликвация

2. Классификация полимерных материалов. Термореактивные материалы. Примеры. Области применения

1. Понятия кристаллизации сплавов. Первичная и вторичная. Отличия. Дендритная ликвация

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены на рис. 1.1.

Рис.1.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

кристаллизация сплав ликвация полимерный термоактивный

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора ) число степеней свободы будет равно единице . При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора .

Рис. 1.2. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Процесс кристаллизации эвтектического сплава: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов. На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т.е. процесс идет при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии трех фаз (жидкой и кристаллов компонентов А и В) число степеней свободы будет равно нулю . В точке 1^/ процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1^/ охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

в) Другие сплавы системы аналогичны сплаву II, кривую охлаждения сплава см на рис 5.3.б.

Процесс кристаллизации сплава II: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов компонента В) число степеней свободы будет равно единице. При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического. На участке 2-2' кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2' охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики.

Рис. 1.3. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора . При достижении температуры, соответствующей точке 3, твердый раствор оказывается насыщенным компонентом В, при более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из -раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов . За точкой 3 сплав состоит из двух фаз: кристаллов твердого раствора и вторичных кристаллов твердого раствора.

Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении происходит в полном соответствии с диаграммой состояния характеризуется следующими этапами:

1) превращение аустенита в феррит;

2) выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;

3) укрупнение частиц цементита, размеры которых меняются от долей микрона до нескольких микрон.

Реализация всех трех этапов вторичной кристаллизации приводит в соответствии с диаграммой состояния к образованию структурной составляющей - перлита.

Существенное значение для протекания вторичной кристаллизации имеют условия охлаждения. Незначительная степень переохлаждения или весьма медленное охлаждение обеспечивают получение равновесных структур. Чем больше степень переохлаждения аустенита или скорость его охлаждения, тем более неравновесна структура получаемой стали. Изменяя условия охлаждения, можно получить различные модификации перлита, а именно, сорбит, троостит или мартенсит, что существенно влияет на свойства сталей и сплавов.

Дендритная ликвация

В случае кристаллизации сплавов растут дендриты. При затвердевании твердых растворов это выявляется особенно отчетливо, так как оси дендритов -- ветви различного порядка -- при кристаллизации твердого раствора образуются при разной температуре, в интервале температур ликвидус--солидус. Поэтому они имеют неодинаковый состав. Ветвь первого порядка в дендрите образуется при более высокой температуре, поэтому концентрация тугоплавкого компонента в ней будет больше. Ветвь второго порядка образуется при более низкой температуре, следовательно, в ней концентрация тугоплавкого компонента будет меньше и т. д. В местах, затвердевающих в последнюю очередь, концентрация тугоплавкого компонента будет наименьшей, а легкоплавкого компонента наибольшей. В равновесных условиях при очень медленном охлаждении состав различных частей этого кристалла путем диффузии успел бы выравняться и во всех точках был бы средним, соответствующим среднем) составу сплава, характеризуемому точкой k.

Однако в реальных условиях, когда расплав охлаждается ускоренно, выравнивание состава различных ветвей не успевает произойти, тогда в разных местах одного и того же кристалла-дендрита состав будет различный,

Рис. 1.4. Максимальная теоретическая неоднородность твердых растворов

Выравнивание концентрации по объему кристаллов происходит исключительно путем диффузии. Чтобы выровнялся состав во всех частях кристалла, требуется диф, фузия атомов внутри кристаллов твердого раствора \ между жидкостью и кристаллами.

Диффузионные процессы протекают сравнительно мед, ленно, поэтому в обычных условиях охлаждения (кристал, лизации) состав центральной и поверхностной частей кристалла не успевает полностью выровняться. Различу состава в одном и том же кристалле называется дендритное или внутрикристаллической ликвацией.

С помощью диаграммы состояний сплавов, образующие твердые растворы, можно оценить склонность данного сплава к дендритной ликвации.

Рассмотрим случай быстрого охлаждения, при щ тором совсем не успевает выравниваться состав образующихся кристаллов. Тогда первые ветви кристалла (дендрита) будут иметь состав, соответствующе точке S, а последние частицы жидкости, затвердевающие в межосных пространствах дендрита и на его периферии, - состав, соответствующий точке L.

Если же кристаллизуется сплав отличающейся тем, что расстояние по горизонтали между ликвидусом и солидусом меньше, чем в предыдущем случае, то теоретически максимальное различие по составу или степень дендритной ликвации будет меньше.

Следовательно, чем больше расстояние по горизонтали между ликвидусом и солидусом, тем больше возможная дендритная ликвация сплава.

Неоднородность химического состава от центра к границе зерна обусловливает неодинаковые свойства, в частности пластичность. Поэтому пластическая деформация слитков с большой дендритной ликвацией затруднена.

Дендритную ликвацию можно в значительной степени устранить путем нагрева сплава в твердом состоянии до температур, при которых интенсивно протекает диффузия и состав зерен выравнивается.

2. Классификация полимерных материалов. Термореактивные материалы. Примеры. Области применения

Полимеры -- неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер -- это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры -- вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Огромное число полимеров можно подразделить на три основных класса, лежащих в основе принятой сейчас классификации.

К первому классу относится обширная группа карбоцепных полимеров, макромолекулы которых имеют скелет, построенный из атомов углерода. Типичными представителями полимеров этого класса можно назвать полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полиметилметакрилат, поливиниловый спирт и множество других. Фрагмент макромолекулы первого из них имеет следующее строение: [-СН2-СН2-]n.

Ко второму классу относится не менее обширная группа гетероцепных полимеров, макромолекулы которых в основной цепи помимо атомов углерода содержат гетероатомы (например, кислород, азот, серу и др.). К полимерам этого класса относятся многочисленные простые и сложные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, природные белки и т.д., а также большая группа элементоорганических полимеров: полиэтиленоксид (простой полиэфир); полиэтилентерефталат (сложный полиэфир) полиамид; полидиметилсилоксан.

Третий класс полимеров - высокомолекулярные соединения с сопряженной системой связей. К ним относятся различные полиацетилены, полифенилены, полиоксадиазолы и многие другие соединения. Примерами таких полимеров могут служить: полиацетилен; полифенилен; полиоксадиазол.

К этому же классу относится интересная группа хелатных полимеров, в состав которых входят различные элементы, способные к образованию координационных связей (они обычно обозначаются стрелками). Элементарное звено таких полимеров часто имеет сложное строение.

Среди многочисленных полимерных материалов наибольшее практическое применение пока находят материалы на основе представителей первого класса полимеров - карбоцепных высокомолекулярных соединений. Из карбоцепных полимеров можно получить ценнейшие материалы - синтетические каучуки, пластмассы, волокна, пленки и т.д., и исторически именно эти полимеры нашли первое практическое применение (получение фенолоформальдегидных смол, синтетического каучука, органического стекла и др.). Многие из карбоцепных полимеров стали впоследствии классическими объектами для исследования и создания теории механического поведения полимерных тел (например, полиизобутилен, полиметилметакрилат, полипропилен, фенолоформальдегидная смола и т.д.).

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры. Образованы с участием органических радикалов ( CH3, C6H5, CH2 ). Это смолы и каучуки.

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы ( Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель - кремнийорганические соединения.

Неорганические полимеры. Их основу составляют оксиды Si, Al, Mg, Ca и др. Углеводородный скелет отсутствует. К ним относятся керамика, слюда, асбест.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы ( например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.

По способности к вторичной переработке полимеры подразделяются на термопласты и реактопласты.

К группе термореактивных пластмасс относятся пресспорошки, волокниты и слоистые пластики. Они выгодно отличаются от термопластичных пластмасс отсутствием хладотекучести под нагрузкой, более высокой теплостойкостью, малым изменением свойств в процессе эксплуатации. Термореактивные пластмассы перерабатывают в детали (изделия) преимущественно методом прессования.

Пресспорошки представляют собой композиционную пластмассу, полученную сочетанием термореактивной смолы с порошкообразным наполнителем. Для изготовления термореактивных пресспорошков применяют в большинстве случаев фенолоформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы, а в качестве наполнителей древесную, асбестовую и кварцевую муку. Пресспорошки, полученные на основе фенолоформальдегидных смол, называют фенопластами, а на основе меламиноформальдегидных смол -- аминопластами. Наиболее распространенными являются фенольные пресс-порошки марок К-15-2, К-17-2, К-18-2, К-20-2, в которых наполнителями являются древесная мука или минеральные вещества. Физико-механические свойства и теплостойкость их низкие. Пресс-порошки обладают повышенной хрупкостью, поэтому они в основном применяются для производства ненагруженных технических деталей и изделий бытового назначения.

Волокниты представляют собой композицию термореактивной смолы с волокнистыми наполнителями. К числу таких наполнителей относятся хлопчатобумажные, асбестовые и стеклянные волокна. В качестве связующего используются фенолоформальдегидные, анилиноформальдегидные, меламиноформальдегидные, полисилоксановые и другие смолы. Для придания волокнитам большей однородности и лучшего внешнего вида в их состав вводят небольшое количество порошкообразного наполнителя.

Общим положительным свойством всех волокнитов является повышенная удельная ударная вязкость.

Из волокнистых пластмасс наиболее распространенными являются волокнит, асбоволокнит, стекловолокнит.

Волокнит (наполнитель -- хлопковые очесы) обладает хорошей прочностью на удар, но его статическая механическая прочность невысокая. По диэлектрическим свойствам он уступает пресспорошкам. В детали (изделия) волокнит перерабатывают только горячим прессованием. Исходная масса очень грубая, жесткая, поэтому из нее можно формовать детали (изделия) лишь простой конфигурации. Обработка резанием не желательна, так как сопровождается вырыванием хлопчатобумажных волокон, что нарушает качество поверхности и ослабляет деталь (изделие).

Волокниты применяют для изготовления деталей (изделий) общего технического назначения с высоким сопротивлением к ударным нагрузкам.

Особыми положительными свойствами асбоволокнитов (наполнитель -- асбестовое волокно), кроме повышенной удельной ударной вязкости, являются высокая теплостойкость (200--250° С) и хорошие фрикционные свойства, обусловленные высоким значением коэффициента трения (коэффициент трения по стали 0,3--0,4). Асбоволокниты -- грубый и жесткий материал, используются так же, как и волокниты, для изготовления деталей простой конфигурации и применяются в качестве фрикционного материала для изготовления тормозных колодок, фрикционных муфт, дисков сцепления, деталей коллекторов и т. д.

Стекловолокнит (наполнитель -- стеклянное волокно) имеет самые высокие механические свойства, зависящие от количества введенного в композицию стекловолокна и от его ориентации в детали. Стекловолокниты коррозионно устойчивы ко многим агрессивным средам, обладают высокими электроизоляционными свойствами, водонепроницаемы, могут длительно работать при высоких температурах (до 350° С).

В качестве связующих при изготовлении стекловолокнитов применяют эпоксидные, фенольные, полиэфирные, кремнийорганические и другие смолы. Стекловолокниты используют для изготовления деталей, работающих как диэлектрики. Как конструкционный материал стекловолокнит применяют в производстве коррозионно-стойких высокопрочных труб, маслоотсеков, кузовов автомобилей, для изготовления лодок, катеров, шлюпок, вагонов и т. д.

Слоистые пластмассы представляют собой сочетание термореактивной смолы с листовыми наполнителями, в качестве которых применяют: хлопчатобумажные, асбестовые и стеклянные ткани, бумагу, древесный шпон. В соответствии с выбранным наполнителем все слоистые пластики подразделяются на текстолиты, стеклотекстолита, асботекстолиты, гетинаксы и древеснослоистые пластики.

Текстолиты (наполнитель -- хлопчатобумажная ткань) широко используют в машиностроении как конструкционный и антифрикционный материал: В них выгодно сочетаются высокая механическая прочность с низкой плотностью, износостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Текстолит применяют для изготовления подшипников, зубчатых колес и различных силовых деталей общего и специального машиностроения.

Асботекстолит (наполнитель --асбестовая ткань) обладает высоким значением коэффициента трения, теплостойкостью и выдерживает большие удельные давления. Его применяют преимущественно в качестве теплоизоляционных облицовок, тормозных частей, тормозов, деталей сцепления муфт и т. д.

Гетинакс (наполнитель -- бумага) обладает высокими диэлектрическими свойствами и удовлетворительной механической прочностью. Выпускается в виде листов, плит, труб и различных прессованных деталей. Он широко применяется как электроизоляционный материал.

Древесно-слоистые пластики (наполнитель --древесный шпон) представляют собой материал, состоящий из тонких листов лущенной древесины (шпона), пропитанных синтетической смолой и склеенных между собой при высокой температуре и давлении. В зависимости от толщины и назначения эти пластики выпускают в виде плит и листов.

Древесно-слоистые пластики обладают высокой прочностью, низким коэффициентом трения и хорошими диэлектрическими свойствами.

Древесно-слоистые пластики --дешевые и недефицитные материалы, с успехом применяющиеся в машиностроении как конструкционный материал вместо металлов. Из древесно-слоистых пластиков изготовляют зубчатые и червячные колеса, вкладыши подшипников и другие силовые детали.

Стеклотекстолиты (наполнитель - стеклянная ткань) представляют собой слоистую высокопрочную пластмассу, применяемую в общем и специальном машиностроении, электро- и радиотехнике для изготовления деталей, несущих значительные рабочие нагрузки. Эти пластмассы имеют высокую прочность, упругость, теплостойкость и высокие диэлектрические свойства.

Размещено на Allbest.ru