Контрольная работа по "Анализу материаловедения"

1. Описать  состав, свойства, маркировку и сортамент  алюминиевых сплавов и указать  область их применения в машиностроении.

Алюминиевый сплав — сплав, основной массовой частью которого является алюминий.

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный  металл серебристо-белого цвета, легко  поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой  тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Сортамент алюминиевых сплавов отличается огромным разнообразием, отдельные образцы которых отличаются своими физико-химическими свойствами. На каждом из видов металлопроката из алюминия стоит остановиться подробнее. 
Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

- Деформируемые алюминиевые сплавы – применяются для изготовления полуфабрикатов, используемых в производстве металлических деталей и конструкций. К ним относят алюминиевые лист, пруток, профиль и трубопрокат.  В свою очередь, все перечисленные виды проката делят на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые термообработкой: к первым относят круг и лист из сплавов меди, алюминия и марганца, ко вторым – лист и круг из сплава алюминия и марганца.

- Литейные алюминиевые сплавы – используются для фасонного литья, легко подвергаясь обработке методом резания. Различают несколько видов литейных сплавов:

• Сплавы алюминия с кремнием  - допускают обработку резанием, из-за мягкости металла;
• Сплавы алюминия с медью – отличаются высокими механическими свойствами;
• Сплавы алюминия с магнием – обладают особыми антикоррозионными свойствами;
• Жаропрочные алюминиевые сплавы - выдерживают продолжительное термическое воздействие, без ухудшения своих качеств.

Говоря о мягких алюминиевых  сплавах, необходимо выделить наиболее популярные виды – так называемые отожженные и не упрочняемые термической  обработкой. В свою очередь, к твердым сплавам относят ковочные, литейные, закаленные и искусственно состаренные сплавы.

Состав алюминиевых  сплавов в значительной мере определяется способом их производства. Как правило они изготавливаются из первичного алюминия с добавлением значительного количества высокосортных отходов. В состав алюминиевых сплавов может входить медь, цинк и другие элементы. Литейные сплавы разделяют на группы на основе: алюминий — кремний, алюминий — кремний — медь, алюминий — медь, алюминий — магний, алюминий — прочие компоненты. Каждая из этих групп имеет свою маркировку.

Количественный состав, а также определенное сочетание  легирующих элементов обеспечивают полученному металлу индивидуальные свойства, которые в свою очередь  определяют область применения того или иного сплава, созданного на основе алюминия. Для того, чтобы упрочнить  сплав используют холодную деформацию, а также термическую обработку.

Алюминиевые сплавы обладают рядом ценных свойств, отличающих их от других конструкционных материалов. Важнейшими из них являются высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности), коррозионная стойкость, немагнитность, малая склонность к хрупким разрушениям, устойчивость механических свойств при низких температурах, высокая технологичность, эстетичность в конструкциях, а также неограниченный запас сырья для производства сплавов.

Маркировка алюминиевых сплавов представлена российскими стандартными обозначениями и международной товарной аббревиатурой стандарта ISO, выражающейся в номерах серий. Обычно используемые сокращения включают в себя буквы, обозначающие категорию сплава и легирующие элементы с количественным составом в процентах. Кроме того, маркировка может указывать на классификацию легированного сплава в соответствии с производством и применением.

Так, дюралюминий обозначается буквой «Д» с последующим указанием  процентной чистоты сплава в процентах. Металл под маркировкой Д1 – это  обыкновенный дюраль для широкого использования, алюминий Д16 и Д6 отличается более  высоким содержанием меди и магния соответственно. Для поковки и штамповки используют стандартный дюралюминий, обозначаемый АК1, и аналогичные алюминиевые сплавы, маркируемые аббревиатурой АК5, АК6 и АК8. Дюралюминиевые сплавы повышенной прочности маркируют буквой «В», например, В95, В96, В93 и активно используют в самолётостроении. В этих металлах преобладают цинковые включения (до 7% от общего объёма), что обеспечивает необходимый запас твёрдости внутренней структуры и поверхности.

Литейные сплавы имеют  маркировку «АЛ» с последующей цифрой, обозначающей номер марки в ГОСТе. АЛ2 – это нормальные силумины, АЛ4 и АЛ9 – это литейные сплавы с минимальным количеством кремния и повышенным содержанием магния и марганца. Аббревиатурами АЛ3, АЛ5, АЛ6 обозначаются алюминиевые сплавы, легированные медью, которые характеризуются слабыми литейными свойствами, но одновременно выгодно отличаются отличной способностью к любой механической обработке. Маркировкой АЛ11 обозначают литейный сплав с цинковой присадкой, который используют при отливке деталей сложной конфигурации. Литейный алюминиевый сплав АЛ7 применяется для изготовления небольших деталей путём литья, которые впоследствии подвергаются активной механической обработке. Сплав АЛ12 имеет ярко выраженную склонность к точному фасонному литью, однако механическая обработка деталей из этого металла нецелесообразна. Обозначением АЛ8 маркируют заготовки из алюминиевого сплава, созданного на основе химической пары AL-Mg, так называемого магналия, отличающегося высокой прочностью, плотностью и химической пассивностью.

В зависимости от производителя  алюминиевые сплавы могут маркироваться  по аналогии с нержавеющим прокатом с указанием сокращений названий легирующих элементов. Например, маркировка АК6М1 указывает, что данный металл включает в себя 6% кремния и 1% меди. В этом случае таблица обозначения металлов в российской маркировке полностью соответствуют общепринятым стандартам – «Ц» - цинк, «Т» - титан, «Н» - никель, «К» - кремний и т.д. Технический деформируемый алюминий без примесей маркируется двумя буквами «АД» с указанием степени очистки, выражаемой в двух маленьких буквах («оч» - очень чистый и т.д.). В аббревиатуру технического алюминия могут включаться обозначения легирующих элементов. Цифры после маркировки АД также обозначают процентную чистоту сплава в процентах. Например марка АД31 соответствует алюминию с чистой 31%.

Для сплавов прошедших  термическую обработку используют следующие буквенно-цифровое обозначение  после основной маркировки:

• П - полуфабрикат (сплавы для холодной штамповки из проволоки);
• Р - рафинированный (содержание натрия < 0.0015%);
• М - мягкий отожженный;
• Н - нагартованный;
• Н1 - нагартованный на одну четверть;
• Н2 - нагартованный на одну вторую;
• Н3 - нагартованный на три четверти;
• Т - закаленный и естественно состаренный;
• Т1 - закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность;
• Т2, Т3 - режимы искусственного старения, обеспечивающие перестаривание материала (режимы смягчающего искусственного старения);
• Т5 - закалка полуфабрикатов с температуры окончания горячей обработки давлением и последующее искусственное старение на максимальную прочность;
• T7 - закалка, усиленная правка растяжением (1,5-3 %) и искусственное старение на максимальную прочность.

Буква «Ш» указывает  на алюминиевые сплавы для пищевой  промышленности, а «АВ» - на авиали, группа авиационных сплавов системы алюминий-магний-кремний.

Старая маркировка предусматривает  цифровое четырехзначное обозначение. Первая цифра указывает на основу сплава. Алюминий и материалы на его основе маркируются цифрой 1. Вторая цифра обозначает основные легирующие элементы. Различным маркам алюминия соответствует цифра 0, добавкам из меди и магния – цифра 1, только меди – цифра 2, примесям магния и кремния – цифра 3, литию и малорастворимым компонентам – цифра 4, магнию (магналии) – цифра 5, элементам цинк и магний (+медь) – цифра 9. Последние две цифры обозначают порядковый номер алюминиевого сплава. Дополнительная информация последней цифры – четная для литейных сплавов, а нечетная для деформируемых.

Американская маркировка заключается в указании серий, которые подразделяются в соответствии с химическим составом алюминиевого сплава – 2ХХ – медноалюминиевый сплав, 3ХХ – магниевые и медные авиали, 4ХХ – силумины и т.д.

Маркировку алюминиевых  сушек осуществляют с помощью  различных красок и геометрических фигур, символизирующих тот или иной сплав.

Применение алюминиевых сплавов в машиностроении. В железнодорожном транспорте применяется сплав АМг6, Амг3, 1915, 1935 для внешней и внутренней обшивки вагонов пассажирских и грузовых (для перевозки продуктов, минеральных удобрений и т.д.). Замена стальной конструкции железнодорожного вагона конструкцией из алюминиевых сплавов позволяет снизить массу вагона до 15%. В связи с этим возрастает скорость движения поезда, нагрузка на ось, снижается расход энергии и топлива на 10%, сокращаются затраты на текущий и кап. ремонт вагонов до 18%.

В автомобильной промышленности алюминиевый прокат получил широкое  применение для изготовления кузовов, цистерн, обшивки автобусов и  фургонов, а также значительной номенклатуры навесных деталей, из за высокой теплопроводности в 3-4 раза выше стали алюминиевые сплавы применяются для изготовления таких теплонаружных деталей как поршни, головки и блоки цилиндров, тормозные колодки и др.

В автомобильной промышленности применяют сплавы вторичные ВД1, ДМг, АКМ, В95-2, АК5М7, АКЦМ4, АК7, АК9М2а, АК12Мгр. Так же сплавы - АЛ5, АЛ4, АК4М2Ц6, АК6М2, АМг4К1, АК18, АК9С, АЛ2, А l 6, АД33, АК12М2. 
Для бортов грузовых автомобилей применяют сплавы АД31, 1935, 1915, Амг5. На обшивку рефрижераторов ВД1, АМг2. Бампера на ВАЗ сплав 1915. Радиаторы сплав АМц.

2. Описать  строение металлов и типы кристаллических  решеток.

Все металлы и их сплавы — тела кристаллические. Металлами  называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться.. Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющимися неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1—2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).

Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называют металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической  структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.

Формирование кристаллической  решетки в металле происходит следующим образом. При переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строением их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов,  омываемых свободными электронами.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между  ионами и свободными  электронами  возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую, связь между частицами  металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и  силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке.

Типы кристаллических  решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки:

• объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
• гранецентрированная кубическая (ГЦК);
• гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной  структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис.).

Основные типы кристаллических  решеток представлены на рисунке. В  объемно-центрированной кубической решетке (рис. а) атомы расположены в углах  и центре куба. Период решетки равен  а, координационное число К= 8, базис решетки равен 2; 8 атомов расположены в углах куба, 1 атом в центре куба принадлежит только одной ячейке). Данный тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Fea, Cr, Nb и др.

В гранецентрированной кубической решетке (рис. б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом а, координационном числом К= 12, базисом, равным 4: (1/8) • 8 + ½ • 6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам. Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, FeY и др.

В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки — а и с, причем с/а > 1 (например, с/а = 1,633 для Ru, Cd и с/а > 1,633 для Mg, Zn), координационное число К= 12, базис решетки равен 6.

3. Описать состав, свойства, маркировку и сортамент антифрикционных сплавов и указать область их применения в машиностроении.

Антифрикционные сплавы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала антифрикционность и  сопротивление усталости. Антифрикционность — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали-стального или чугунного вала.

Антифрикционные сплавы отличаются низкой способностью к адгезии, теплопроводностью и стабильностью свойств, а самое главное хорошей прирабатываемостью (т.е. способностью трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания).

Антифрикционность обеспечивают следующие  свойства подшипникового материала:

- высокая теплопроводность;

- хорошая смачиваемость смазочным материалом;

- способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла;

- хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь "фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Антифрикционные сплавы используются в различных конструктивных типах узлов трения машин и двигателей. Поэтому в процессе применения подобных материалов в конкретных узлах и условиях приводило к созданию разнообразных антифрикционных сплавов. Выделяются такие антифрикционные материалы как сплавы на основе олова или свинца - баббиты, меди - бронза, железа - серый чугун, металлокерамические сплавы - бронзографит, железографит, а также пластмассы текстолит, фторопласт-4, древесноложные пластики и сложные композиции типа "металл-пластмасса".

Подшипниковые материалы - это наиболее распространенные антифрикционные  материалы, которые применяемые  для различных видов подшипников  скольжения. При этом очень важно, чтобы кроме антифрикционных свойств, они обладали необходимой прочностью, сопротивлением коррозии в среде смазки, технологичностью и экономичностью.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент  трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения v, параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше,чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Чаще всего встречается  использование антифрикционных сплавов на основе олова или свинца (их называют баббиты). Они применяются в подшипниках в виде слоя, заливающего основу детали из стали. Важно, чтобы сталь прошла специальную очистку и желательно имела углубления или пазы для лучшего сцепления. Именно такие подшипники используются в автомобильной промышленности.

Также в качестве антифрикционных  сплавов могут выступать различные  виды бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Бронзовые подшипники бывают 2 видов: монометаллические (используются оловянистые бронзы) и биметаллические.

Менее распространенные, но все же востребованные антифрикционные  материалы бывают на основе стали. Их используют в легких условиях работы, когда в процессе работы механизма есть небольшое давление и невысокие скорости скольжения. Сталь более твердый материал и имеет высокую температуру плавления, поэтому она плохо прирабатывается и легко схватывается с сопряженной поверхностью, из-за чего образуются задиры.

Встречается среди антифрикционных  материалов и чугун. Некоторые чугуны имеют высокие антифрикционные  свойства, благодаря графитовой составляющей ее структуре. Например, чугун с глобоидальной  формой графита и с толстыми пластинками  более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Ряд антифрикционных материалов очень широк, также как и его применение и самым распространенным из всех видов является олово и свинец, а также их сплавы в виде баббитов.

Антифрикционные сплавы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в  реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивляемости схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы  по своей структуре подразделяются на два типа сплавов:

1) сплавы с мягкой  матрицей и твердыми включениями;

2) сплавы с твердой  матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого  типа относятся баббиты и сплавы на основе меди — 
бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную 
реакцию подшипникового материала на усиление трения и хорошую прирабатываемость, но и особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочным материалом участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Трение происходит в  подшипниках скольжения между валом  и вкладышем подшипника. Поэтому  для вкладыша подшипника подбирают  такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения.

Антифрикционными  сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами (табл. 1). Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. Это, в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопроводность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Таблица 1

4. Описать сущность процесса пластической деформации металлов и влияние холодной и горячей пластической деформации на структуру и свойства металлов.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую).

Пластическая  деформация остается после снятия внешней нагрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры).

Пластическая  деформация сопровождается смещением  одной части кристалла относительно другой на расстояние, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, т.к. все процессы обработки  металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начинаться разрушение металла.

При пластической деформации изменяется не только форма, но и свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение форм зерен (кристаллитов) дробление отдельных зерен, а также ориентация их определенных кристаллографических осей в направлении течения металла. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Текстура металлов обусловливает анизотропию их механических, магнитных и электрических свойств. В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при дальнейшей его обработки и эксплуатации изделий. В некоторых случаях специально стремятся создать максимально текстурованный в определенных направлениях для повышения механической прочности или магнитно-электрических свойств.  

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная  деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, а характеристики снижаются. Металл становится более твердым, но мене пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличение искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопление дислокаций у границы зерен).

Изменение, внесенные  холодной деформацией в структуру  и  свойства металла  не обратимы. Они  могут  быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

В этом случае происходит перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивается подвижность атомов и в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новый зерна, заменяющие собой вытянутые “деформированные зерна”.

Явление зарождения и  роста, новых равноосных зерен  взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуре плавления металла. Горячая обработка металлов давлением производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации, когда скорость процесса упрочнения, вызванного деформацией. При этом микроструктура металла после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации.

Перед горячей  обработкой давлением металлы  и  стали  нагревают  до определенной температуры (начало горячей  обработки  давлением) для повышения их пластичности и  уменьшения сопротивления деформации. Однако в процессе обработки температура металла понижается. Минимальная температура, при которой можно производить обработку, называется температурой окончания обработки давлением. Область температуры между началом и окончанием, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформированию, называют температурным интервалов горячей обработки давлением.

При этом температура  нагрева металла выбирается такой, чтобы не возник, пережег либо перегрев. Пережег, характеризуется окислением металла на границе зерен, в результате чего он становится хрупким и при ударе разрушается. Перегрев сопровождается резким ростом размеров зерен, вследствие чего ухудшаются механические свойства.

Каждый  металл и  сплав  имеет  свой строго определенный температурный интервал горячей  обработки давлением. Например, алюминиевый  сплав АК4 – 470-350С; медный сплав БрАЖМц – 900-750С; титановый сплав Вт8 -1100-900С; сталь 45 – 1200-750С.

Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой  температуры. Нагрев осуществляется в  различных печах и нагревательных устройствах. Выбор способа нагрева  заготовок определяется технико-экономических соображениями.