Авиационное материаловедение. Лекция №1: Введение. Теория сплавов

Материаловедение – это наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерности их изменений при внешних физико-механических воздействиях.
Все материалы по химической группе делятся на металлические и неметаллические
Введение

В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексом металлических свойств:
металлический блеск
высокая электропроводность
хорошая электропроводность
высокая пластичность

Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое или аморфное строение.
В аморфном веществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом – в строго определенном порядке

Для описания кристаллической структуры металлов используется понятие кристаллической решетки – это воображаемая пространственная стека, в узлах которой расположены атомы.
Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой.
Кристаллическая решетка

а — гексагональная плотнейшая; б — кубическая гранецентрированная; в — кубическая объемноцентрированная; г — кристаллическая решетка ти­па алмаза.

В металлических сплавах наиболее распространенными кристаллическими решетками являются:
Кубическая объемно-центрированная (а)
Кубическая гранецентрированная (б)
Гексагональная плотноупакованная (в)

Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией.
Для изучения процессов кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры во времени.
Кристаллизация металлов

Схема кристаллизации металлов

Рост зерна происходит по дендридной (древовидной) схеме.

Строение стального слитка

Некоторые металлы могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением. Этот процесс протекает при определенной температуре.
Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.
Полиморфизм

Полиморфизм железа

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами.
Вещества, которые образуют сплав называют компонентами
Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела
Под структурной понимают форму, размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
Строение металлических сплавов

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от температуры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения сплавов.
Диаграмма состояния

Линия ликвидус – линия полного расплавления твердых фаз, выше неё находится только жидкость
Линия солидус - линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент. Линия, ниже которой находится только твердая фаза.
Эвтектика - жидкая система (раствор или расплав), находящаяся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы. Кристаллизация такой системы происходит при постоянной температуре, как и кристаллизация чистых веществ. При этом образуется механическая смесь твёрдых фаз того же состава. Для данной системы температура плавления твёрдой Э. ниже температуры плавления смеси любого другого состава.
Основные понятия:

Диаграмма состояния I рода, образующих механические соединения из чистых компонентов
MCN – линия ликвидус
DCE – линия солидус
Cm - эвтектика

Диаграмма состояния II рода сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
Линия M1N - линия ликвидус, линия M2N - линия солидус. Точки М и N - температуры плавления компонентов А и В.

Линия MEN - линия ликвидус, 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.
Диаграмма состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода)

Линия MCN - линия ликвидус, линия MPDN - линия солидус. Точки М и N - температуры плавления компонентов А и В. Точка Р - перитектическая точка. Линия СРД (температура t1) - перитектическая линия.
Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением (IV рода)

Линии МЕ1СЕ2N - линия ликвидус, линия 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.
Диаграмма состояния с устойчивыми химическими соединениями (V рода)

Железо – пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью. Тпл = 1539ºС, плотность 7,83 г/см³.
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе. (C< 0,02% при t=727ºC)
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе. (C< 2,14% при t=1147ºC)
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C) С=6,67%
Перлит (П) – механическая смесь Ф с Ц. (C= 0,8% образуется из А при t=727ºC)
Ледебурит (Л) – эвтектическая смесь А с Ц. (C= 4,3% образуется из жидкого расплава при t=1147ºC)
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Основные понятия

Характеристика линий диаграммы

Характеристика точек диаграммы

В системе, состоящей из трех компонентов, в отличие от двухкомпонентных, прибавляется еще одна независимая переменная – концентрация третьего компонента, поэтому диаграмма состояния должна строиться в трех координатах, т.е. в пространстве.
Диаграммы состояния тройных систем

Диаграмма состояния тройных сплавов с неограниченной
растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях (а)
и кривая охлаждения сплава 1 (б)

Диаграмма состояния трехкомпонентной системы.
Компоненты не растворимы в твердом состоянии
и образуют тройную эвтектику (пространственное изображение)

Диаграмма состояния трехкомпонентной системы.
Компоненты не растворимы в твердом состоянии
и образуют тройную эвтектику (развертка)

Упругой называется деформация, исчезающая после прекращения действия внешних сил.
Пластической является остаточная деформация, которая появляется если напряжения превышают предел упругости. ПД может осуществляться путем скольжения и двойникования.
Прочность и пластическая деформация металлов

Дефекты кристаллического строения

Наклеп и рекристаллизация

Статические и динамические испытания металлов

Метод Бринелля (а)
Метод Роквелла (б)
Метод Виккерса (в)
Методы определения твердости

Влияние разных температур на металлы и сплавы
При высоких температурах в металлах проявляется свойство ползучести – это явление увеличивает деформации материала с течением времени при постоянной нагрузке.
Об изменении свойств металлов при понижении температуры обычно судят, ориентируясь на их свойства при комнатных температурах (18…20ºС).