Дополнительная программа к программе-минимум по специальности 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов
1. ФАЗЫ И ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ.
1. Металлы с ОЦК, ГЦК и ГПУ кристаллическими решетками. Кристаллографические плоскости и направления с наибольшей плотностью упаковки атомов в кубических и гексагональных решетках.
2. Твердые растворы замещения, внедрения и вычитания. Промежуточные фазы: электронные соединения, фазы Лавеса, фазы внедрения.
3. Правило фаз. Диаграммы состояния двойных систем. Правило рычага. Диаграмма состояния железо-углерод.
4. Диаграммы состояния тройных систем, политермические и изотермические разрезы.
2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ.
1. Классификация дефектов. Вакансии, подвижность и концентрация вакансий, самодиффузия.
2. Дислокации, взаимодействие дислокаций с другими дефектами, поперечное скольжение и переползание.
3. Двойники. Дефекты упаковки. Сегрегация примесей на дислокациях и на дефектах упаковки. Строение границ зерен, субзерен и ячеек. Решетка узлов совпадения. Миграция границ, влияние на нее примесей и включений.
3. ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ.
1. Возврат, полигонизация и рекристаллизация. Первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация. Динамическая рекристаллизация. Текстуры деформации и рекристаллизации.
2. Кристаллизация расплава, гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов.
3. Кривые Таммана. Макро- и микроструктура литого металла. Модифицирование. Ликвация. Эвтектическая кристаллизация, строение эвтектик. Бездиффузионная кристаллизация.
4. Зарождение при фазовых превращениях в твердом состоянии. Принцип структурного и размерного соответствия. Строение и механизм движения межфазной границы при росте кристаллов в твердом состоянии, сдвиговое и нормальное превращение. Особенности мартенситного превращения.
5. Фазовые переходы I и II рода.
6. Упорядочение.
7. Фазовые превращения при нагреве, растворение частиц второй фазы, образование новой фазы, гомогенизация. Особенности превращений при быстром нагреве.
8. Методы исследования фазовых превращений: рентгенография, просвечивающая электронная микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия.
4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
1. Классификация физических свойств по их структурной чувствительности.
2. Тепловые свойства. Термический анализ и его применение. Термическое расширение. Дилатометрическое исследование фазовых превращений.
3. Упругие свойства. Неупругость. Механизмы внутреннего трения.
4. Магнитные и электрические свойства. Применение магнитных и электрических методов для изучения фазовых равновесий, изменений микроструктуры и превращений в сплавах.
5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
1. Упругая и пластическая деформация. Коэффициенты и модули упругости. Способы определения упругих констант. Системы скольжения в кубических и гексагональных металлах. Диаграммы деформации моно- и поликристаллов.
2. Механизмы пластической деформации. Упрочнение при деформации. Упрочнение в твердых растворах. Упрочнение дисперсными выделениями, второй фазой. Влияние границ зерен на упрочнение в поликристаллах. Зависимость механических свойств от состава в двойных системах.
3. Разрушение. Механизмы хрупкого и вязкого разрушения, связь с микроструктурой. Хладноломкость и хрупко-вязкий переход при изменении температуры деформации. Методы механических испытаний. Испытание на растяжение и сжатие. Истинные диаграммы деформации. Испытание на изгиб и кручение – области применения. Методы определения твердости. Нарушение закона Петча-Холла в нанокристаллических материалах. Корреляция структура-свойства.
4. Ударная вязкость. Характеристики пластичности и вязкости разрушения. Конструкционная прочность.
5. Жаропрочность. Испытания на ползучесть и релаксацию напряжений. Механизмы деформации и разрушения при ползучести. Длительная прочность. Требования к структуре сплавов с высокой жаропрочностью.
6. Усталость, структурные механизмы.
7. Влияние среды на процессы разрушения. Эффект Ребиндера.
6. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.
1. Классификация видов термической обработки. Гомогенизационный отжиг. Докристаллизационный и рекристаллизационный отжиги. Отжиг для уменьшения остаточных напряжений. Закалка, старение и отпуск.
2. Термомеханическая обработка. Химико-термическая обработка. Сущность и назначения каждого вида термической обработки, основные закономерности изменения структуры и свойств.
7. КРИСТАЛЛОГРАФИЯ.
1. Симметрия континуума. Взаимодействие элементов симметрии. Точечные группы. Кратность общего и частного положений. Дифракционная группа симметрии.
2. Системы трансляционных решеток Бравэ.
3. Симметрия дисконтинуума. Пространственные группы. Понятие о правильных системах точек.
4. Плотнейшие упаковки, их описание. Координационные числа и радиусы. Пустоты (поры).
5. Координационные многогранники (полиэдры).
6. Основные структурные типы и их описание.
7. Квазикристаллы.
8. Кристаллографический анализ – связи структуры кристаллов и его физических свойств.
9. МЕТОДЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА, НЕЙТРОНОГРАФИИ, ЭЛЕКТРОНОГРАФИИ И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ.
1. Рассеяние рентгеновских лучей электроном, атомом, кристаллом. Структурная амплитуда. Основные уравнения дифракции рентгеновских лучей. Обратная решетка и сфера Эвальда.
2. Основные методы рентгеноструктурного анализа: метод Лауэ, вращения, метод порошка, их применение и информационные возможности. Выражение для интегральной интенсивности рентгеновских отражений в этих методах (кинематическая теория).
3. Выбор излучения, вида съемки, расчет рентгенограмм, их индицирование и определение периода кристаллической решетки.
4. Количественный и качественный рентгеноструктурный анализ.
5. Анализ диаграмм состояния с помощью рентгеноструктурного метода. Анализ упорядочения структурными методами. Изучение процессов распада пересыщенных твердых растворов.
6. Анализ дефектов кристаллического строения по изменениям распределения интенсивности и ширине рентгеновских дифракционных отражений.
7. Анализ структуры частично-кристаллических сплавов: фазовый состав, размеры структурных составляющих. Анализ многокомпонентных систем, содержащих квазикристаллы.
8. Особенности взаимодействия электронов и нейтронов с веществом, области применения электронографии и нейтронографии.
9. Кинематическая теория дифракционного контраста. Контраст в изображении дефектов кристаллического строения: дислокаций, дефектов упаковки, границ зерен, включений. Эффекты динамического рассеяния.
10. Растровая микроскопия. Микрорентгеноспектральный анализ.
11. Экcпериментальное исследование и анализ кристаллографических текстур.
10. ФАЗЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ.
1. Структуры кристаллов металлических элементов. Полиморфизм металлов.
2. Твердые растворы на основе металлических элементов, их атомная структура. Ближний порядок в твердых растворах и его параметры. Теория упорядочения.
3. Металлические соединения, их классификация. Электронные соединения (фазы Юм-Розери).
4. Диффузия в металлах, теория диффузии и атомные механизмы диффузии. Влияние микроструктуры. Реактивная диффузия. Восходящая диффузия.
5. Основные закономерности кристаллизации металлов и сплавов. Механизмы зарождения и роста кристаллов при затвердевании растворов и при конденсации пара. Морфология роста кристаллов.
6. Сверхбыстрое охлаждение и аморфное затвердевание металлических сплавов. Кристаллизация аморфных сплавов, ее особенности.
7. Общие закономерности аллотропических и мартенситных превращений в металлах и сплавах. Характер изменений атомно-кристаллической структуры при аллотропических превращениях.
8. Термодинамика массивного превращения в сплавах. Кристаллографическая теория мартенситных превращений. Особенности мартенситных превращений в сплавах на основе железа и на основе титана.
9. Гомогенные и гетерогенный, однофазный и двухфазный типы распада пересыщенных твердых растворов. Зонный распад. Изменение свойств при старении сплавов.
10. Спинодальный распад.
11. Роль дислокации, дефектов упаковки и границ зерен в процессах выделения.
12. Влияние пластической деформации на распад пересыщенных твердых растворов при старении.
11. ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕ.
1. Удельная теплоемкость. Атомная теплоемкость, ее температурная зависимость. Теплоемкость простых и переходных металлов. Теплоемкость электронного газа. Характеристическая температура. Правило Неймана и Коппа для металлических фаз и гетерогенных сплавов. Применение методов калориметрического и термического анализа в металловедении.
12. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА.
1. Основные виды магнетизма и их признаки. Диа- и парамагнитные металлы, их положение в таблице Менделеева. Закон Кюри-Вейса. Методы измерения пара- и диавосприимчивости. Пара- и диамагнитные свойства металлических фаз и гетерогенных сплавов. Магнитные свойства ферромагнетиков. Кривая намагничивания и цикл магнитного гистерезиса. Понятие о размагничивающем факторе. Основные методы измерения ферромагнитных свойств. Спонтанная намагниченность. Природа обменного взаимодействия. Условие появления ферро- и антиферромагнетизма. Обменное взаимодействие в a- и f-металлах. Ферромагнетизм. Температурная зависимость намагниченности насыщения. Точка Кюри. Энергия магнитной кристаллографической анизотропии. Магнитоупругая энергия ферромагнетика. Доменная структура ферромагнетика. Процессы технического намагничивания. Однодоменные частицы и их намагничивание. Явление суперпарамагнетизма.
2. Магнитные свойства твердых растворов, металлических фаз и гетерогенных сплавов. Применение магнитного анализа для изучения диаграмм фазового равновесия, структурных превращений при закалке и отпуске сталей, для изучения процессов упорядочения и др. Методы исследования магнитной доменной структуры.
13. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ.
1. Электропроводимость металлов. Зависимость электрического сопротивления чистых металлов от температуры и давления. Влияние дефектов на электрическое сопротивление металлов. Электрическое сопротивление неупорядоченных и упорядоченных твердых растворов. Концентрационная зависимость электрического сопротивления твердых растворов (правило Маттиссена-Флеменга). Неоднородные твердые растворы (К-состояние). Электрические свойства химических соединений и промежуточных фаз. Электрические свойства гетерогенных сплавов.
2. Применение электрического анализа для построения диаграмм фазового равновесия, для изучения закалки, отпуска стали, старения, распада переохлажденного аустенита, упорядочения.
3. Принципы измерения теплопроводности. Связь теплопроводности с электрической проводимостью.
14. ПЛОТНОСТЬ И ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ.
1. Плотность металлов, металлических фаз, гетерогенных сплавов. Методы определения плотности. Изменение плотности металлов при деформации, аллотропических превращениях и плавлении и др. взаимодействиях. Сжимаемость металлов.
2. Термическое расширение металлов и сплавов. Методы определения термического расширения и объемного эффекта превращения (дилатометрия). Дилатометрические исследования превращений в сплавах. Сплавы с заданным коэффициентом расширения (инвар, ковар, платинит и др.).
15. УПРУГИЕ СВОЙСТВА.
1. Упругость металлов и металлических фаз. Изменение модуля упругости твердого раствора в зависимости от валентности и концентрации растворенного металла.
2. Ферромагнитная аномалия модуля упругости.
3. Внутреннее трение, основные механизмы. Применение метода внутреннего трения для расширения задач металловедения.
16. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Отжиг. Изометрический распад аустенита. Термокинетические диаграммы. Механизм и кинетика превращений в бейнитной области. Структура и свойства продуктов превращения.
Закалка. Мартенситное превращение. Термодинамика, кинетика, морфология. Влияние состава стали на температурный интервал и кинетику превращений. Стабилизация аустенита. Влияние пластической деформации на мартенситное превращение. Термоупругий мартенсит. Эффект памяти формы. Термические и структурные напряжения при закалке.
Отпуск. Превращения реальной структуры. Влияние температуры отпуска на структуру и свойства стали. Обратимая и необратимая отпускная хрупкость.
Деформация. Фазовые и структурные превращения в зависимости от температуры, степени и способа деформации. Сверхпластичность.
Сопротивление пластической деформации металлических сплавов. Механизмы упрочнения при холодной деформации.
Сопротивление разрушению. Хрупкое и вязкое разрушение. Критерии механики разрушения. Влияние структуры и тонкого строения металлических сплавов на сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению.
Деформация металлов и сплавов. Деформационное упрочнение. Изменение структуры и тонкого строения кристаллов в результате холодной деформации металлических сплавов. Влияние нагрева на изменение структуры и свойств холоднодеформированных сплавов. Возврат. Полигонизация. Рекристаллизация. Рост и зарождение зерен. Взаимодействие дислокаций с атомами примесей. Динамическое деформационное старение. Влияние температуры на характер кривых напряжение – деформация. Динамический возврат. Динамическая полигонизация. Динамическая рекристаллизация.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.Г. Лившиц. Металлография. - М.: Металлургия, 1971.
2. И.И. Новиков. Теория термической обработки металлов. - М.: Металлургия, 1978.
3. М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. Структура и механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1980.
4. Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высшая школа, 1983.
5. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. - М.: Металлургия, 1982.
6. И.Н.Киндин. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1969.
7. Дж. Хирт, И. Лоте. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972.
8. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968.
9. Дж. Кристиан. Теория превращений в металлах и сплавах. - М.: Мир, 1978.
10. Ч.С. Баррет, Т.Б. Массальский. Структура металлов. - М.: Металлургия, 1984.
11. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. - М.: Металлургия, 1987.
12. Физическое металловедение. /Под ред. Кан Дж.В. - М.: Металлургия, 1987.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА.
1. А.М. Захаров. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. - М.: Металлургия, 1978.