Элементы теории сплавов

Оценка патентоспособности технического решения

Оценка патентоспособности — процесс исследования техни­ческих решений с целью установления в них признаков изоб­ретения, т.е. выяснение того, обладает ли техническое решение новизной, существенными отличиями и обеспечивает достиже­ние положительного эффекта.

Методика выявления изобретения содержит 8 этапов, выпо­лняемых параллельно.

1. Формулирование цели изобретения.

2. Формулировка решаемой задачи.

3. Анализ объекта и выявление совокупности существенных признаков.

4. Установление вида объекта, подлежащего правовой охра­не.

5. Установление существующего уровня развития техники (поиск аналогов).

6. Выбор прототипа.

7. Оценка новизны.

8. Обоснование существенных отличий и положительного эффекта.

Формулирование цели. Цель должна отражать первичный технический эффект, причинно связанный с внесенными в объ­ект изменениями, цель также должна отражать конечную пользу, которую получит общество от реализации изобретения.

Формулировка технической задачи включает указание на общественную потребность уже существующую или возникшую на каком-то этапе разработки. Технической задача является тогда, когда в общий вопрос «Каким образом удовлетворить определенную общественную потребность?» вводится дополни­тельное ограничение «потребность будет удовлетворена с по­мощью технических средств».

Например, объективно существует потребность общества в продовольственном зерне. Исходя из потребности, можно сформулировать различные технические задачи:

разработать конструкцию зерноуборочного комбайна, обес­печивающую уборку полеглых хлебов;

разработать новый способ обмолота зерна из колоса, ис­ключающий дробление отдельных зерен.

Анализ объекта и выявление совокупности существенных признаков. Объект должен быть охарактеризован существенны­ми признаками, т.е. такими, когда каждый в отдельности взятый признак необходим, а все вместе взятые достаточны для того, чтобы можно было исследуемый объект отличить от всех других объектов того же назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в положительном эффекте.

Установление вида объекта, подлежащего правовой охране. В СССР охраноспособными объектами являются устройство, способ и вещество.

Признаками устройства являются:

1) на­личие элементов;

2) взаимосвязь элементов устройства, т.е. - наличие связей между узлами и деталями и их форма;

3) материал, из которого выполнено устройство или его конструктивный элемент.

Признаками способа являются:

1) действие (приемы опе­рации);

2) порядок выполнения действий во времени;

3) ре­жимы выполнения действий (операции);

4) условия выполне­ния действий путем использования определенных веществ.

Признаками вещества являются:

1) входящие в него инг­редиенты;

2) их количественное содержание.

Установление существующего уровня техники (поиск ана­логов). Поиск аналогов проводится среди объектов того же назначения по патентной и научно-технической литературе. При поиске аналогов следует придерживаться принципов как на­ибольшего совпадения существенных принципов, так и совпаде­ния наиболее важных для решения задачи признаков.

Последующий сопоставительный анализ заявляемого техни­ческого решения покажет, какой из аналогов будет выбран в качестве прототипа.

Выбор прототипа. Прототип — наиболее близкий аналог по технической сущности и достигаемому результату. Определение прототипа из аналогов проводится либо по максимальному чис­лу сходных существенных признаков заявленного решения и аналога, либо по одному-двум существенным признакам, в большей степени по сравнению с другими влияющими на достижение положительного эффекта, ожидаемого от исполь­зования заявленного решения.

Оценка новизны. При исследовании заявляемого техничес­кого решения на новизну могут встретиться следующие случаи.

3. Заявляемое техническое решение будет тождественно известному, если совокупность его существенных признаков сходна с совокупностью признаков прототипа, т.е. признаки, входящие в указанную совокупность, должны быте идентичны или эквивалентны признакам известного решения.

Идентичные признаки — это признаки, совпадающие по вы­полняемой функции и технической сущности. Эквивалентные признаки — это признаки, совпадающие по выполняемой функ­ции и достигаемому результату.

Обоснование существенных отличий и положительного эф­фекта. Решение признается обладающим существенными от­личиями, если по сравнению с решениями, известными в науке и технике на дату приоритета заявки, оно характеризуется новой совокупностью признаков. Для определения соответствия критерию 8 «существенные отличия» (см. с. 26) необходимо проанализировать причинно-следственные связи между отличи­тельными признаками и техническими (свойствами). Установить известные технические решения, содержащие отличительные признаки предложенного технического решения. После чего сравнить свойства заявляемого решения и известных решений, обусловленных наличием в них признаков.

При определении положительного эффекта необходимо принимать во внимание цель изобретения и технико-экономи­ческие показатели объекта в сравнении с лучшими известными, решениями.

Основные понятия. Металлический сплав – это макроскопически однородный материал, полученный сплавлением двух и более металлов (реже металлов и неметаллов) с характерными металлическими свойствами. Элементы, которые образуют сплав, называют компонентами. Компонент, количество которого преобладает в сплаве, называют основным компонентом. Сплавы часто называют по основному компоненту: медные, алюминиевые, магниевые, титановые и т.д. По числу компонентов различают двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные), четырехкомпонентные (четверные) и многокомпонентные сплавы. Далее для простоты изложения будут рассмотрены особенности внутренней структуры и свойства двухкомпонентных сплавов, тем более, что, как правило, основу большинства многокомпонентных сплавов составляет двойной сплав.

Фаза - однородная часть сплава, которую характеризует определенный химический состав, собственная кристаллическая решетка, характерная микроструктура и свойства. Фаза отделена от других частей сплава (т.е. от других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую все перечисленные особенности изменяются скачкообразно. Фазой может быть жидкий сплав, т.е. жидкий раствор двух компонентов, отдельный компонент в твердом состоянии, твердый раствор, химическое соединение. Сплав характеризует внутренняя структура и структурные составляющие. Структура - это форма, размер и характер взаимного расположения фаз. Структуру в свою очередь характеризуют структурные составляющие - обособленные части структуры с присущими характерными особенностями. Структурными составляющими могут быть как фазы, так и смеси фаз. Структуру в целом и структурные составляющие можно изучать с помощью металлографического микроскопа при стократном и более увеличении.

Строение сплава. В жидком, т.е. расплавленном состоянии в большинстве случаев сплавы - это однородные жидкие растворы, в которых компоненты неограниченно (т.е. в любом соотношении) растворяются друг в друге. Строение сплава в твердом состоянии более сложное по сравнению с чистыми компонентами. Строение сплава зависит от того, в какое взаимодействие в процессе кристаллизации вступают между собой компоненты. В процессе кристаллизации при взаимодействии компонентов в основном возможно образование следующих фаз: 1) - твердого раствора и 2) - химического соединения. Если компоненты не взаимодействуют друг с другом, т.е. не растворяются в твердом состоянии и не вступают в химическое взаимодействие, в таком случае возможно образование твердых механических смесей.

Таким образом, твердый раствор - это фаза, в которой один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов встраивается в решетку растворителя. При образовании твердых растворов возможны два варианта: образование твердого раствора замещения или твердого раствора внедрения.

Твердые растворы замещения образуются в том случае, если атомы компонентов мало отличаются по атомным диаметрам, при этом атом второго (растворенного) компонента занимает узел в решетке растворителя. Если оба компонента имеют один и тот же тип кристаллической решетки (решетки изоморфны), а атомные диаметры различаются не более, чем на 8- 12%, возможно образование неограниченных твердых растворов. В этом случае компоненты могут растворяться друг в друге в любом соотношении. Количество атомов второго компонента в кристаллической решетке растворителя будет расти до тех пор, пока не будут замещены все атомы. При концентрации второго компонента более 50% второй компонент станет растворителем. Произойдет как бы плавный переход от одного компонента к другому. Сплавляемые компоненты, не отвечающие перечисленным условиям, могут образовать ограниченные твердые растворы замещения (например, растворимость второго компонента составляет 15%).

Твердые растворы внедрения – это фазы, в которых один компонент-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы второго (растворенного) компонента размещаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются в наиболее больших пространствах. В ГЦК – решетке атом растворенного элемента внедрится в пору, находящуюся в центре элементарной ячейки. В ОЦК- решетке наибольший объем поры будет в центре грани (между двумя соседними элементарными ячейками).

Установлено, что местом скопления растворенного компонента являются дислокации. В области дислокаций чужеродным атомам легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где чужеродные атомы вызывают значительные искажения решетки. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области, под краем экстраплоскости (см.рис.) Такие образования сопровождаются уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость. Твердые растворы внедрения большей частью образуются на базе переходных металлов (Fe, Co, Mn, Ti, Mo, W, Zr, V и др.), в которых растворяются металлоиды (C, H, O, N) с малыми атомными диаметрами.

Химические соединения – образуются при химическом взаимодействии между компонентами, составляющими сплав. Структура таких сплавов однородна (однофазна) и представляет собой новый тип кристаллической решетки, которая отличается от решеток входящих компонентов. Химические соединения имеют сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением и определенным количеством атомов. Свойства химического соединения значительно отличаются от свойств компонентов, из которых оно образовано. В отличие от твердых растворов химические соединения чаще всего образуются между элементами, имеющими большое различие по своему строению и свойствам. Кроме рассмотренных фаз встречаются, так называемые, промежуточные фазы, структура которых представляет собой промежуточное состояние между твердыми растворами и химическими соединениями.

Если компоненты, составляющие сплав, не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то в процессе кристаллизации образуется механическая смесь, которая может состоять из зерен твердых компонентов, или твердых растворов и химических соединений. Структура таких сплавов неоднородна, т.е. не однофазна. Кристаллиты каждого компонента сплава сохраняют свое кристаллическое строение. Механическая смесь обычно образуется в случаях, когда компоненты имеет различные типы кристаллических решеток и существенно отличаются по величине диаметра атомов или по температуре плавления.

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображениезависимости температур фазовых превращений от химического состава сплава. Диаграммы показывают зависимость состояния сплава от температуры и химического состава сплава в равновесном, устойчивом состоянии. Под равновесным состоянием понимают такое состояние, которому соответствует минимум свободной энергии. Это состояние достигается при очень малых скоростях охлаждения ( V_охл близка к 0), самопроизвольно не изменяется во времени и является стабильным.

Диаграмма состояния позволяет для конкретного сплава определить температуры начала и конца кристаллизации, определить температуры превращений, происходящих в твердом состоянии, определить состав фаз и структуру сплава. Диаграммы состояния имеют огромное практическое значение для выбора того или иного сплава при изготовлении изделий, разработке технологии его изготовления, а также при определении режимов термической обработки заготовок или конечных изделий.

В настоящее время построены и изучены практически все двойные диаграммы состояния. Одной из построенных в первую очередь и хорошо проанализированных является диаграмма железо-углерод, которая позволяет изучать важнейшие промышленные сплавы на основе железа: стали и чугуны.

Компоненты и фазы в системе железо – углерод.

Железо – важнейший металл современной техники. Значение его определяется и его широким распространением в природе, и сочетанием весьма ценных свойств. Способность железа растворять в жидком и твердом состоянии углерод и другие элементы, а также образовывать химические соединения с углеродом и другими элементами служит основой для получения большой группы сплавов, широко используемых в современной промышленности.

Плотность железа – 7,86 г/см³. Оно обладает невысокой твердостью (НВ) и прочностью (σ_В читается сигма бэ). НВ~ 800 Мн/м² (80 кгс/мм²); (σ_В ~ 250 Мн/м² (25 кгс/мм²) и хорошей пластичностью: относительное удлинение δ (дельта) = 50%; относительное сужение ψ (пси) 80%.

Углерод – неметалл. В природе встречается в виде двух полиморфных (аллотропичских) модификаций: форме алмаза, имеющего сложную кубическую решетку, и в виде графита, имеющего гексагональную решетку. Плотность графита 2,25 г/см^3. Предел прочности графита увеличивается при повышении температур с σ_В 20 Мн/м² при 20⁰С до 40 Мн/м² 2500⁰С. Обладает высокой электропроводностью. При нагреве до 3650⁰С начинается сублимация графита (превращение твердого состояния в газообразное, минуя жидкое). Характерной особенностью углерода является его способность образовывать карбиды, с различными металлами, с помощью которых можно достигать значительного упрочнения сталей (так называемое карбидное упрочнение). (Под аллотропией понимают существование химического элемента в виде двух или более простых веществ, например кислород О₂ и озон О₃; алмаз и графит. Последний пример - частный случай полиморфизма.)

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в железе ОЦК.Твердость ипрочность феррита близка к свойствам технически чистого железа. При температурах ниже 768⁰С феррит ферромагнитен.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в железе ГЦК. Аустенит пластичен, хорошо сопротивляется удару и истиранию, немагнитен. Электропроводность и теплопроводность у аустенита ниже, чем у феррита. По сравнению с другими структурами стали аустенит имеет максимальную плотность. В железоуглеродистых сплавах аустенит существует только при высоких температурах (выше 727⁰С). Однако в некоторых легированных сталях, при добавлении в сплав определенных количеств марганца или никеля можно получить структуру аустенита при низких температурах.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C), которое образуется при содержании 6,67% углерода. Цементит имеет сложную орторомбическую решетку. Цементит хрупок, но обладает очень высокой твердостью НВ= 8000Мн/м² (~ 800 кгс/мм²). Цементит обладает слабым ферромагнетизмом до температуры 210⁰С. Температура плавления цементита около 1600⁰С. (При высоких температурах в присутствии кремния цементит может распадаться на графит и аустенит.)

Дата добавления: 2014-01-07