Шпаргалка по "Материаловедению"
1 общая характеристика металлов Металлы и их сплавы повсеместно используются
для изготовления конструкций машин, оборудования,
инструмента В природе металлы встречаются
как в чистом виде, так и в рудах, оксидах
и солях. В чистом виде встречаются химически
устойчивые элементы (Pt, Au, Ag,Cu). Масса наибольшего
самородка меди составляет 420 т, серебра
— 13,5 т, золота — 112 кг. Из 111 открытых элементов,
представленных в Периодической системе
элементов Д. И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te
------------------------------
2 физические и механические свойства металлов
Физические свойства Для металлов
наиболее характерны следующие свойства:
металлический блеск, твердость, пластичность,
ковкость и хорошая проводимость тепла
и электричества.
Для всех металлов характерна металлическая
кристаллическая решетка: в ее узлах находятся
положительно заряженные ионы, а между
ними свободно перемещаются электроны.
Наличие последних объясняет высокую
электропроводность и теплопроводность,
а также способность поддаваться механической
обработке.
механические свойства Большинство деталей машин, обрабатываемых
на металлорежущих станках, изготавливается
из металлов и их сплавов. Наибольшее распространение
имеют чугуны и стали, в меньшей степени
- цветные металлы. Для режущих инструментов
широко применяются твердые сплавы и абразивные
материалы.
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется
их механическими свойствами: твердостью,
прочностью, пластичностью.
------------------------------
3 Кристалические и аморфные тела. Их характеристики
По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические.
Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.
4. Понятие кристаллической решетки.виды,основные параметры.
Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек (атомов), которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с центрами молекул.
Общая характеристика
В зависимости от пространственной симметрии, все кристаллические решётки подразделяются на семь кристаллических систем. По форме элементарной ячейки они могут быть разбиты на шесть сингоний. Все возможные сочетания имеющихся в кристаллической решётке поворотных осей симметрии и зеркальных плоскостей симметрииприводят к делению кристаллов на 32 класса симметрии, а с учётом винтовых осей симметрии и скользящих плоскостей симметрии на 230 пространственных групп.
Классификация решёток по симметрии
- триклинная сингония — наименьшая симметрия, нет одинаковых углов, нет осей одинаковой длины;
- моноклинная сингония — два прямых угла, нет осей одинаковой длины;
- ромбическая сингония — три прямых угла (поэтому ортогонально), нет осей одинаковой длины;
- гексагональная сингония — две оси одинаковой длины в одной плоскости под углом 120°, третья ось под прямым углом;
- тетрагональная сингония — две оси одинаковой длины, три прямых угла;
- тригональная сингония — три оси одинаковой длины и три равных угла, не равных 90°;
- кубическая сингония — высшая степень симметрии, три оси одинаковой длины под прямым углом.
5.Кристализачия металлов. Основные понятия
Кристаллизация - это процесс образования зерен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.
------------------------------
7,Пластическая деформация,
Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его механические и физико-химические свойства. Рассмотрела физическую сущность процесса пластической деформации.
Скольжение и двойникование
В кристаллических твердых
телах реализуются два основных
типа пластической деформаций: двойникование и ск
Областью сдвига является вся сдвинутая часть кристалла. При двойниковании в области сдвига перемещение большинства атомов происходит на расстояния, меньшие межатомных, но в каждом атомном слое атомы сдвигаются на одно и то же расстояние по отношению к атомам нижележащего слоя.
При деформации путем скольжения одна часть кристалла перемещается в определенном направлении относительно другой вдоль какой-либо кристаллографической плоскости
НАКЛЁП — упрочнение поверхности металлов и сплавов
8.Возврат и рекрестализация
Возврат -- Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.
Процесс частичного разупрочнения
и восстановления свойств называется отдыхом (
Т = (0,25 .. 0,3) Тпл
Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.
Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.
Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность дислокаций.
При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами
Рекрестализация Процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Нагрев металла до температур
рекристаллизации сопровождается резким
изменением микроструктуры и свойств.
Нагрев приводит к резкому снижению
прочности при одновременном
возрастании пластичности. Также
снижается электросопротивление
1 стадия – первичная
рекристаллизация (обработки) заключается
в образовании центров
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
2 стадия – собирательная
рекристаллизация заключается
Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.
------------------------------
9 Механические испытания
Качество металлов и изделий из них оценивают по результатам механических, химических, технологических, металлографических испытаний и наружного осмотра. Ниже кратко описываются только механические испытания.
Испытание на растяжение.
Для этого вида испытания
изготовляют стандартные
Испытания проводят на специальной машине путем осевого растяжения образца до разрыва, с автоматической записью диаграммы зависимости деформации от нагрузки.
Испытание на изгиб.
Испытание на изгиб в холодном
или нагретом состоянии проводится
для определения способности
листового металла принимать
заданный по размерам и форме изгиб.
Образцы для испытания вырезают
из листа без обработки
В зависимости от толщины испытываемого образца выбирают диаметр шарика и нагрузку.
Для углеродистых сталей, имеющих предел прочности 300... 1000 МПа, существует приближенная зависимость между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности при растяжении: 0 = 0,36 НВ.
Если сталь имеет большую твердость (закаленная сталь, цементированная), а также для тонколистовых сталей твердость определяют по Роквеллу, вдавливая в испытываемый образец шарик диаметром 1,59 мм или алмазный конус. Показатель твердости по Роквеллу HR по специальным таблицам можно перевести в показатель твердости по Бринеллю НВ.
Испытание на удар.
Испытанием на удар определяют способность работы металла в условиях динамических нагрузок или хрупкость. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит? ударные нагрузки. Испытание на удар производят на специальных маятниковых копрах с применением стандартных образцов с надрезом.
12 Компонентами
железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.
1. Железо – переходный металл серебристо-светлого
цвета. Имеет высокую температуру плавления
– 1539o С ± 5o С.
Процессы
при структурообразовании железоуглеродистых
сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое
превращение.
Диаграмма
железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод.
Диаграмма железо-цементит. Диаграмма
состояния железо-цементит.
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует Feα с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является Feγ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ или высокотемпературное Feα. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения Feα <-> Feγ обозначают точкой A3, а температуру 1392o С превращения Feγ <-> Feδ - точкой А4.
При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.
Структуры сталей. Структуры белого чугуна. Структуры сплавов. Структуры сталей и сплавов.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σв = 250МПа, предел текучести – σт = 120МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ = 50%, а относительное сужение – ψ = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.
13 Диаграмму состояния железо - углерод чаще всего представляют в интервале концентраций от железа доцементита. При этом ось абсцисс (концентрационная) на диаграмме, как правило, даётся двойной, показывая содержание углерода и цементита.
Об открытии критических точек в стали Д.К Черновым в 1868 году и начале изучения диаграммы железо - углерод см. страницу Диаграмма железо - углерод.
Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.
Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и цементит.
14 Превращение сталей в твёрдом состоянии. Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит ® феррит превращения (линия GS)в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А3, т.е. при нагреве Ас3,т.е. при охлаждении Аr3. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аcm. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А1; при нагреве Аc1; при охлаждении Аr1. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С.
А0,8 ® Ф0,02 +Ц (21)
(Эвтектоидная смесь феррита
и цементита называется перлито
Рассмотрим
15. Правило фаз соотношение, связывающее число веществ (компонентов), ф
Уравнение Гиббса
Правило фаз записывается следующим образом:
где j — число фаз (например, агрегатны
v — число степеней свободы, то есть независимых параметров (температура, давление, концентрация компонентов), которые полностью определяют состояние системы при равновесии и которые можно менять без изменения числа и природы фаз;
k — число компонентов системы — число входящих в систему индивидуальных веществ за вычетом числа химических уравнений, связывающих эти вещества. Иначе говоря, это минимальное количество веществ, из которых можно приготовить каждую фазу системы.
n — число переменных, характеризующих влияние внешних условий на равновесие системы.
Математика позволяет
описать явления природы на символическом
языке различными способами. Удачная
интерпретация правила фаз
Правило отрезков В процессе кристаллизации изме
17 Термическая обработка сталей
Термическая обработка металлов разделяется на обработку черных металлов и цветных. Ниже пойдет речь конкретно об видах термической обработке стали. Также можете ознакомится с термической обработкой цветных металлов.
Обжигание — нагревание стального
изделия до температуры 840—900 °С, выдержка
при этой температуре не меньше 2 ч и охлаждение
вместе с печью. Этот метод применяют при
изготовлении из закаленного изделия
другого или же когда предыдущий закал
был неудачный и инструмент нужно снова
закалить. Если закаливать необожженные
детали, то в них могут возникнуть трещины,
структура металла станет неоднородной,
что резко ухудшает качество изделия.
Мелкие детали отжигают, нагревая на массивных
накаленных стальных штабах, с которыми
их охлаждают. Иногда изделие нагревают
ацетиленовой горелкой, которую постепенно
отдаляют от изделия, чтобы изделие постепенно
остыло.
Нормализация – это нагревание стальных изделий к соответствующей температуре и охлаждению на воздухе.
Основные параметры при закалке — температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения — по диаграммам изотермического распада аустенита .
Температура закалки. Доэвтектоидные
стали нагревают до температуры
выше критической точки Ас3 на 30—50
°С. Если такие стали нагреть до
температуры между критическими
точками Ас1 и Ас3 и охладить, то
в структуре закаленной стали, кроме
мартенсита, будет присутствовать феррит,
что существенно ухудшает свойства.
Такая закалка называется неполной.
Заэвтектоидные стали при закалке
нагревают до температуры Ас1+ (40,60
°С). После охлаждения с таких
температур получают структуру мартенсита
с включением вторичного цементита,
который повышает твердость и
износостойкость режущего инструмента.
Если заэвтектоидную сталь нагреть
выше критической точки Аст, то после
закалки получится дефектная
структура грубоигольчатого мартенсита.
Время нагрева зависит от размеров
детали и теплопроводности стали, и
его обычно определяют экспериментально.
Для определения времени
18. Фазовые превращения в превращения в сталях при нагреве
Основные виды термической обработки сталей
Термическая обработка является
одним из наиболее распространенных
в современной технике способов
получения заданных свойств металлов
и сплавов. Термическая обработка
применяется либо в качестве промежуточной
операции для улучшения обрабатываемости
давлением, резанием и др., либо как
окончательная операция для придания
металлу или сплаву такого комплекса
механических, физических и химических
свойств, который сможет обеспечить
заданные эксплуатационные характеристики
изделия. Чем ответственнее изделия
(конструкция), тем, как правило, в
ней больше термически обработанных
деталей. Так как основными факторами
любого вида термической обработки
являются температура и время, то
любой процесс термической
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, и приводящая его в более равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью. Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига. Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в однородное (равновесное) состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.
В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются существуют следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения отжиг.
Гомогенизационный (диффузионный)
отжиг — это термическая
Рекристаллизационный отжиг — это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.
Отжиг, уменьшающий напряжения — это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.
Отжиг, при котором нагрев
производится выше температур фазовых
превращений с последующим
19 превращения аустенита при различных степенях переохлаждения Превращения аустенита при непрерывном охлаждении характеризуются термокинетическими диаграммами (рис. 8.13). По ним можно определить верхнюю укр и нижнюю икр критические скорости, а также скорости охлаждения, соответствующие появлению феррита, завершению феррито-перлитного превращения и началу превращения в средней области. При охлаждении аустенитнои стали происходит перлитное, мартенситное и промежуточное превращения
Рассмотрим
превращения аустенита в сталях
при охлаждении (рис. 56). Сплав, содержащий
0,8% углерода, сохраняет структуру аустенитанеизменной до 723° С.
При медленном охлаждении в точке 5 происходит превращение
аустенита в механическую смесь,
состоящую из пластинок феррита и цементита,
называемую перлитом. Микроструктура
перлита показана на[21, С.85]
На рис. 187 показано время превращения
аустенита в перлит в зависимости от степени
переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного
аустенита при постоянной температуре.
Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами
изотермического превращения аустенита.
Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита
имеют вид буквы С, поэтому их часто называют
С-образными или просто С-кривы-ми1.[1, С.247]
После рассмотрения процесса превращения
аустенита при постоянной температуре
и разных степенях переохлаждения можно
перейти к рассмотрению процесса распада
аустенита при непрерывном
охлаждении, когда сталь, нагретая
до аусте-нитного состояния, охлаждается
с разной скоростью.[1, С.253]
Для изучения изотермического
превращения аустенита небольшие
образцы стали нагревают до температур,
соответствующих существованиюстабильного
аустенита (т. е. выше критической
точки), а затем быстро охлаждают (переохлаж-|
| дают) до температуры ниже Л, " " (например,
до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д.), и выдерживают
при этих температурах различное время,
в том числе и до полного распада аустенита.
Степень его распада можно определять
разными методами: микроскопическим, магнитным,
дилатометрическим и др.[2, С.162]
Свойства и строение продуктов превращения
аустенита зависят от температуры, при
которой происходил процесс его распада
(рис. 188).[1, С.247]
Следовательно, критическая точка превращения
аустенита в перлит обозначается Аг\, а
перлита в аустенит Ас\; начало выделения
феррита из аустенита обозначается Лг3;
конец растворения феррита в аустените
Лс3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается
также Лг3, а конец растворения вторичного
цементита в аустените — Лс3 (эту точку
часто обозначают Лст).[1, С.231]
Рис. 1П. Диаграмма изотермического превращения аустенита
в мартенсит (изотермический). Цифры у
кривых показывают степень превращения.
Сталь содержит 23% N1, 3,64) Мп. остальное железо
(углерода практически нет) (М. Коэн)[1, С.266]
Связь между характером изотермического
превращения аустенита, содержанием
углерода и температурой показывает обобщенная диаграмма, приведенная на рис.
194.[1, С.252]
Раньше мы приводили лишь схемы диаграмм
превращения аустенита. Для полной информации
о превращении
аустенита той или иной марки
стали необходимо обе диаграммы и ряд
дополнительных сведений: марка и состав
стали, температура нагрева, размер зерна
аустенита, а также свойства (хотя бы твердость)
продуктов распада и соотношение структурных
составляющих. Это мы видим на рис. 200, где
приведеныдиаграммы изотермического и анизотермичесшго
превращения аустенита стали марки 40Х
20 промежуточное превращение аустенита (бейнитное) | ||
|