Магистерская программа «Материаловедение, процессы получения и переработки

неорганических порошковых и композиционных материалов»

Вступительные испытания

Программа экзамена для поступления в магистратуру

по направлению «Материаловедение и технологии материалов», программа

«Материаловедение, процессы получения и переработки неорганических порошковых и

композиционных материалов»:

Раздел I. Физико-химический анализ и термодинамика сплавов 1. Диаграммы состояния однокомпонентных систем Диаграммы состояния однокомпонентных систем, осложненные полиморфизмом.

Монотропные и энантиотропные переходы. Определение термодинамических характеристик процессов сублимации, испарения и плавления из данных по диаграммам состояния однокомпонентных систем.

2. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем Применение правила фаз Гиббса к двухкомпонентным системам.

Типы твердых растворов. Факторы, определяющие вероятность образования твердых растворов и способы их получения. Диаграммы плавкости при полной взаимной растворимости компонентов в твердой и жидкой фазах при отсутствии и при наличии экстремумов. Диаграммы плавкости систем в случае полной смешиваемости компонентов во всех фазах и полиморфизме одного или обоих компонентов.

Распад твердых растворов и его причины Диаграммы плавкости с разрывом сплошности твердых растворов в случаях уменьшения растворимости компонентов при понижении температуры и образования новой фазы в твердом состоянии. Диаграммы плавкости бинарных систем в случае образования ограниченных твердых растворов (случай эвтектики и случай перитектики).

Диаграмма плавкости двухкомпонентной системы с образованием конгруэнтно плавящегося соединения. Полиморфизм индивидуальных компонентов и соединения.

Понятие о дальтонидах и бертоллидах. Диаграмма состав-свойства в случае образования дальтонидов и бертоллидов. Уравнение Шредера и его использование для оценки термодинамических характеристик и определения форм нахождения соединения в расплаве.

Диаграмма плавкости бинарной системы в случае образования инконгруэнтно плавящегося соединения. Перитектическая реакция.

Диаграммы конденсированного состояния систем с ограниченной взаимной растворимостью в жидком состоянии (монотектика и синтектика).

Основные закономерности в геометрии диаграмм конденсированного состояния бинарных систем. Методы построения диаграмм плавкости бинарных систем.

Применение ЭВМ для расчета линий ликвидуса и определения характера взаимодействия компонентов в бинарных системах.

3. Тройные системы Применение правила фаз Гиббса к трехкомпонентным системам. Основные типы диаграмм конденсированного состояния тройных систем. Приложение правила рычага к диаграммам тройных систем. Изотермические и политермические разрезы. Диаграмма конденсированного состояния тройной системы с эвтектикой. Кривые охлаждения, этапы кристаллизации. Концентрационные области расположения эвтектик в тройных системах.

Диаграмма конденсированного состояния при неограниченной взаимной растворимости компонентов как в жидком, так и в твердом состоянии.

Тройные системы с одним конгруэнтно плавящимся двойным химическим соединением. Квазибинарное сечение. Точка Ван-Рейна. Триангуляция систем.

Тройная система с двойным инконгруэнтно плавящимся соединением. Перитектический процесс, точка двойного подъема.

Тройные системы с ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии. Кристаллизация типичных сплавов, политермические разрезы.

4. Методы исследования гетерогенных равновесий Методы ДТА и ТГА. Построение диаграмм плавкости по данным ДТА.

Тензиметрический анализ. Основные понятия и определения. Экспериментальные методы определения давления насыщенного пара. Методы определения состава пара.

Применение тензиметрического анализа для определения границ областей гомогенности фаз переменного состава. Расчет парциальных молярных энтальпий и энтропии смешения для твердых растворов из данных по измерению брутто-давления насыщенного пара над фазами переменного состава.

5. Основные положения химической термодинамики сплавов Парциальные молярные величины. Величина свойства раствора. Мольная величина свойства раствора. Относительные парциальные и интегральные молярные свойства.

Связь между парциальными молярными величинами свойств компонентов, молярной величиной свойства и составом бинарного раствора.

Химический потенциал компонента бинарного раствора. Энтропия бинарного раствора и парциальные молярные энтропии компонентов. Энтальпия бинарного раствора и парциальные молярные энтальпии компонентов.

Идеальные (совершенные) бинарные растворы - химические потенциалы компонентов, равновесие с газовой фазой. Реальные растворы - избыточные молярные величины свойств, равновесие с газовой фазой, понятия активности и коэффициента активности.

Регулярные бинарные растворы - определение, зависимость активности компонентов от их концентрации. Характер зависимости активности компонентов от состава в бинарных системах различных типов.

Стандартные состояния компонентов раствора. Стандартное состояние по Гильдебранду и по Льюису - особенности, активность растворенного вещества при различных способах выражения концентрации. Переход от стандартного состояния по Гильдебранду к стандартному состоянию по Льюису при произвольном способе выражения концентрации растворенного вещества.

Законы Генри и Сивертса.

Взаимное влияние растворенных веществ в многокомпонентных растворах. Параметры взаимодействия и их использование в расчетах равновесий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я. Основы физико-химического анализа.

- М.: Наука., 1976. - 503 с.

2. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. - М.: Металлургия, 1978. - 296 с.

3. Физико-химические основы металлургических процессов /А.А.Жуховицкий, Д.К.Белащенко, Б.С.Бокштейн и др. - М.: Металлургия, 1973.-392 с.

Раздел II. Физико-химические основы создания спеченных материалов 1. Дефекты кристаллической решетки металлов Точечные дефекты. Виды точечных дефектов. Искажения кристаллической решетки вокруг точечных дефектов. Термодинамика точечных дефектов. Равновесная концентрация вакансий. Миграция точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов. Комплексы точечных дефектов. Методы определения концентрации вакансий и энергии их образования.

Линейные дефекты. Виды линейных дефектов. Краевые дислокации. Переползание краевой дислокации. Винтовая дислокация. Скольжение винтовой дислокации. Смешанные дислокации. Вектор Бюргерса. Упругие свойства дислокаций. Энергия дислокации.

Силы, действующие на дислокацию. Упругое взаимодействие параллельных краевых и винтовых дислокаций. Пересечение дислокаций (краевых, винтовых, краевых и винтовых). Движение дислокаций с порогами.

Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Атмосферы Коттрелла, Снука и Сузуки. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и межузельными атомами..

Образование дислокаций. Сетки дислокаций. Плотность дислокаций. Размножение дислокаций. Источник Франка-Рида. Дислокационные модели границ зерен и субзерен.

Торможение дислокаций. Сила Пайерлса. Торможение дислокаций при взаимном пересечении. Торможение дислокаций границами зерен и субзерен. Торможение дислокаций дисперсными частицами. Выгибание дислокаций. Перерезание дислокациями дисперсных частиц. Торможение дислокаций атмосферами Коттрела, Снука и Сузуки.

Торможение дислокаций в твердых растворах.

Методы выявления дислокаций. Метод муара, декорирование дислокаций, метод ямок травления, просвечивающая электронная микроскопия, анализ формы рентгеновских линий.

2. Механические свойства сплавов Прочность сплавов. Различные виды прочности. Природа вязкого и хрупкого разрушения. Формула Гриффитса. Зависимость свойств сплавов от величины зерна, плотность дислокаций, наличия примесей, состояния границ зерен. Предел упругости, пропорциональности, текучести, кратковременной длительной прочности. Прочность при комнатной и повышенной температурах. Циклическая прочность. Особенности прочности композиционных и порошковых материалов. Анизотропия прочности композиционных материалов. Зависимость прочности от пористости порошковых материалов. Методы измерения прочности.

Твердость сплавов. Различные виды твердости и методы ее измерения. Микротвердость. Количественная оценка хрупкости сплавов. Хрупкое разрушение композиционных и пористых материалов.

Пластичность сплавов. Характеристики пластичности. Относительное удлинение, поперечное сужение. Технологическая пластичность. Методы определения пластичности.

3. Термическая обработка сплавов Классификация видов термической обработки. Особенности термической обработки композиционных и порошковых материалов.

Отжиг сплавов первого и второго рода. Гомогенизирующий отжиг. Причины химической неоднородности сплавов. Неравновесная кристаллизация, спекание смесей порошков разных металлов. Диффузионное выравнивание химического состава. Восходящая диффузия. Изменение свойств при отжиге. Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиги. Процессы, происходящие при возврате, отдыхе и полигонизации. Образование и движение дислокационных стенок. Первичная и собирательная рекристаллизация.

Образование и рост зародышей новых фаз. Вторичная рекристаллизация. Изменение свойств в процессе рекристаллизации. Отжиг, уменьшающий напряжение. Отжиг второго рода. Общие закономерности фазовых превращений в твердом состоянии. Термодинамика фазовых превращений. Принцип структурного соответствия при выделении новой фазы.

Роль строения межфазных границ при фазовых превращениях. Гомогенное и гетерогенное зарождение фаз. Образование промежуточных метастабильных фаз. Кинетические кривые фазовых превращений при нагреве и охлаждении. Диаграммы изотермического превращения. S-образные кривые.

Отжиг сталей. Образование аустенита при нагреве, механизм и кинетика аустенизации. Размер аустенитного зерна. Структурная наследственность. Диффузионные превращения аустенита при охлаждении. Перлитное превращение. Перлитные структуры собственно перлит, сорбит, троостит. Перлитное превращение в до- и заэвтектоидных сталях. Влияние легирующих элементов на перлитное превращение.

Разновидности отжига сталей. Полный, неполный, сфероидизирующий, изотермический отжиги, нормализация, патентирование. Закалка без полиморфного и с полиморфным превращением сплавов. Изменение свойств при закалке без полиморфного превращения.

Особенности мартенситного превращения сталей. Термодинамика мартенситных превращений. Механизм мартенситного превращения. Кинетика мартенситных превращений. Структура сплавов, закаленных на мартенсит. Изменение свойств сплавов после закалки на мартенсит. Бейнитное превращение. Прокаливаемость сталей.

Старение и отпуск. Термодинамика процессов выделения второй фазы из твердого раствора. Структурные изменения при старении. Изменение свойств сплавов при старении. Структурные изменения при отпуске сталей. Изменение свойств при отпуске сталей.

Выбор режимов отпуска.

Термомеханическая обработка сплавов (ТМО), классификация режимов ТМО.

Высоко- и низкотемпературная ТМО. Изменение структуры и свойств в результате ТМО.

Химико-термическая обработка сплавов. Разновидности химико-термической обработки. Изменение состава, структуры и свойств в результате химико-термической обработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левинский Ю.В. Дефекты кристаллического строения и механические свойства металлов. Учебное пособие. – М.: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2008. – 78 с.

2. Левинский Ю.В. Основы теории термической обработки металлов. Учебное пособие. – М.: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2006. Часть 1, 56 с. Часть 2, 54 с.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1978, 392 с.

4. Новиков И.И. Дефекты кристаллической решетки металлов. – М.: Металлургия, 1983, 232 с.

5. Золоторевский В.С. Механические испытания и свойства металлов. – М.: Металлургия, 1983, 352 с.

Раздел III. Теоретические основы и технология получения порошков и распылением расплавов Механические методы получения порошков. Явления, сопровождающие тонкое измельчение. Процессы, обусловленные увеличением внутренней энергии. Характер изменения поверхности и размера частиц в ходе измельчения. Элементы теории и конструкция основных типов измельчающих аппаратов. Получение композиционных порошков в энергонагруженных измельчающих аппаратах.

Получение порошков методом распыления расплавов: способы распыления и их сопоставление. Поведение струи жидкого металла при различных скоростях обдува.

Факторы, определяющие размер капель при распылении газом или водой.

Распыление расплавов под действием центробежных сил. Поведение расплава на поверхности вращающегося диска. Крупность капель.

Закономерности образования формы частиц при распылении. Закономерности формирования структуры распыленных порошков. Влияние скорости охлаждения на ход кристаллизации. Получение аморфных порошков.

Выбор оптимального метода распыления с учетом химических свойств материала и требований к чистоте, крупности и структуре порошка.

2. Термодинамика физико-химических процессов получения порошков металлов и соединений Физико-химические методы получения порошков металлов и соединений. Термодинамика твердофазного взаимодействия при отсутствии твердых растворов. Выбор восстановителей для металлотермического восстановления галогенидов.

Термодинамика реакций в конденсированных фазах при образовании растворов.

Термодинамика восстановления при образовании металлоидом растворов в восстанавливаемом металле.

Термодинамика реакций с участием одного газообразного вещества при отсутствии твердых растворов и при ограниченной взаимной растворимости исходного вещества и продукта.

Термодинамика восстановления газообразным восстановителем при образовании металла (низшего оксида) и газообразного продукта. Термодинамика восстановления оксидов и других соединений монооксидом углерода и водородом. Закономерности процессов твердое - газ, осуществляемых в слое дисперсного твердого вещества.

Восстановление оксидов твердым углеродом. Реакция Будуара.

3. Основы электрохимических процессов получения порошков Потенциал металла в растворе его соли. Важнейшие электродные системы и выражения их потенциалов. Стандартные электродные потенциалы и их определение. Ряд напряжений.

Электрохимические ячейки и их э.д.с. Самопроизвольно протекающие процессы направление, использование в технологии. Электролитические ячейки. Минимальное напряжение электролиза.

Кинетика электродных процессов. Динамическое равновесие массобмена между электродом и раствором. Ток обмена. Электрохимическая поляризация. Поляризация при замедленной электрокристаллизации. Концентрационная поляризация.

Совместный разряд катионов. Выход по току.

Влияние условий электролиза на характер осадков. Факторы, способствующие получению порошков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия /Под ред. Б.С.Митина. - М.:

Металлургия, 1987.- 792 с.

2. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. - М.: Металлургия, 1991.- 430 с.

Раздел IV. Консолидация порошковых тел 1. Начальная стадия спекания Определение понятия спекания. Три стадии спекания. Движущие силы спекания.

Пороговые и непороговые механизмы спекания.

Припекание частиц. Основные модели. Теории Френкеля и Пинеса. Припекание по механизмам вязкого течения, объемной и поверхностной диффузии вакансий, переноса через газовую фазу. Взаимное проскальзывание частиц по механизму диффузионновязкого течения. Диаграммы Эшби.

Припекание под действием внешних сил. Эффекты пластической деформации в зоне контакта. Розетки спекания.

Особенности припекания частиц многокомпонентных сплавов. Влияние процессов выравнивания химического потенциала на геометрию контактного перешейка.

2. Спекание тел с замкнутой пористостью Образование замкнутой пористости. Изменение размеров изолированных пор по механизмам вязкого течения, объемной и поверхностной диффузии вакансии. Роль границ зерен и процессов рекристаллизации. Движение пор как целого. Роль газа в кинетике изменения размеров пор. Коалесценция пор. Поведение ансамбля пор. Модель пористого тела Маккензи – Шатлворса.

Особенности спекания высокодисперсных порошков. Эффект зонального обособления.

Спекание однокомпонентных систем. Закономерности изменения плотности, структуры и свойств при спекании.

Спекание многокомпонентных систем. Роль взаимной диффузии в процессах припекания, уплотнения, формования свойств. Методы описания гомогенизации при спекании.

Активированное спекание. Спекание с образованием интерметаллических соединений. Спекание фаз с узкими и широкими областями гомогенности, фаз с металлической, ковалентной и ионной связью.

3. Спекание в присутствии жидкой фазы Механизмы образования жидкой фазы при спекании. Процессы смачивания, растекания пропитки, взаимного растворения. Спекание с образующейся и исчезающей жидкой фазой. Связь поведения при спекании с диаграммой состояния. Явление «роста» при спекании взаимно растворяющихся металлов и при образовании интерметаллических соединений.

4. Одновременное воздействие температуры и давления Влияние давления на уплотнение пористого тела при высокой температуре. Спекание под давлением и горячее прессование. Двух- и трехзонные модели уплотнения при горячем прессовании. Основные схемы и практика горячего прессования. Горячая прокатка, ковка, штамповка, горячее изостатическое прессование.

5. Практика спекания Основные технологические схемы спекания. Атмосферы спекания. Температурные и временные режимы. Пропитка пористых тел расплавом. Свойства спеченньх тел. Четыре группы зависимости свойств от пористости. Особенности структуры пористых материалов. Особенности термической и химико-термической обработки спеченньх материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. д.т.н. Митина Б.С.М.: Металлургия, 1987.-792 с.

2. Гегузин Я. Е., Физика спекания. - М.: Наука, 1984. -284 с.

3. Скороход В.В, Солонин О.М. Физико-металлургические основы спекания порош-ков. - М.: Металлургия, 1984.-154 с.

Раздел V. Аппаратурное оформление производства спеченных материалов 1. Классификация и общие принципы построения технологических процессов Определение понятия «технологический процесс». Структура технологических процессов. Классификация технологических процессов. Построение технологических процессов.

2. Технологические процессы формования композиционных и порошковых материалов и их аппаратурное оформление Холодное прессование в жестких прессформах. Прессовое оборудование. Прессформы и методы их расчета. Циклограмма работы пресса и ее использование в технологических расчетах. Прессование в условиях сложного напряженно деформированного состояния.

Горячее прессование в жестких прессформах. Прессы горячего прессования.

Прессформы для горячего прессования.

Формование пластифицированных порошков. Экструдирование. Экструдеры.

Шликерное литье и инжекционное формование.

Прокатка порошков.

Изостатические методы формования. Гидростаты и газостаты.

Импульсное и вибрационное формование.

Методы и средства контроля процессов формования и свойств формовок.

4. Технологические процессы спекания композиционных и порошковых материалов и их аппаратурное оформление Обобщенный температурный режим спекания. Определение технологических параметров на стадиях нагрева, выдержки, охлаждения. Методы нагрева формовок и оборудование для их осуществления. Методы интенсификации процессов спекания.

Методы и средства контроля процессов спекания и качества спеченных заготовок.

5. Технологические процессы обработки спеченных.заготовок и их аппаратурное оформление Допрессовка и калибрование. Механическая обработка. Обработка давлением.

Нанесение покрытий. Пропитка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1988.- 480 с.

2. Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. - М.:

-Машиностроение, 1973.- 251 с.

3. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. - Киев:

Вища Школа, 1985.-279 с.

4. Мармер Э.Н. Мурованная С.Г. Электропечи для термовакуумных процессов. М.: Энергия, 1977.- 216 с.

5. Дорофееев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых материалов. - М.:

Наука, 1968.- 120 с.

Организация собеседования: собеседование или вступительный экзамен в магистратуру проводит комиссия в составе:

Председатель комиссии – декан факультета «Т» профессор, д.х.н. Букин В.И.

Члены комиссии:

И.о. зав. кафедрой ХТНиКМ профессор, д.т.н. Левинский Ю.В.

Профессор кафедры ХТНиКМ д.х.н. Вольдман Г.М.

Доцент кафедры ХТНиКМ к.т.н. Падалко О.В.