 |
Главная » Информация » Лекции Шпаргалки Шпоры дисциплина Материаловедение |  |
Лекции Шпаргалки Шпоры дисциплина Материаловедение
Лекции Шпаргалки Шпоры дисциплина Материаловедение
Ответы на вопросы:
1. Инструментальные углеродистые и легированные стали.
2. Мех. свойства металлов. Хар-ки и методы определения основных мех. свойств.
4. Композиционные материалы.
3. Стали с особыми свойствами
5. Конструкционные углеродистые стали. Стали, применяющиеся для изготовления различных конструкций
9. Инструментальные твёрдые стали.
6. Кристаллизация металлов.
7. Д.С. Железо углерод. Классификация железо-углеродистых сталей.
10. Чугуны. Состав, свойства, маркировка, область применения.
11. Легированные стали.
12. Пластмассы.
15. Методы определения твёрдости металлов.
16. Металлы – общая характеристика
17. Легирование стали
18. Виды кристаллических решёток металлов. Дефекты кристаллического строения и их влияние на свойства.
19. Подшипниковые сплавы.
21. Сплавы. Основные виды взаимодействия компонентов сплавов.
27. Высокопрочные. Пружинные. Шарико подшипниковые стали.
22. Диаграмма состояния бинарных сплавов.
24. Медь и сплавы на её основе.
заказать индивидуальную работу
Купить эти ответы за 100 рублей онлайн
Прошу обратить внимание, что при покупке работ на сайте
Вам в почту приходит не сам файл с работой, а ссылка на файл с работой, по которой нужно скачать дипломную работу СНАЧАЛА НА ЖЕСТКИЙ ДИСК своего компьютера.
Открывать и просматривать работу нужно с жесткого диска своего компьютера.
Файл с работой приходит к Вам в архиве, который нужно распаковать.
Если у Вас нет опыта оплаты и получения заказа через платежную систему «Робокасса», то Вы можете посмотреть видеролик на этой странице, где эта процедура подробно рассмотрена.
Если у Вас возникли вопросы и что-то не получается
Вы всегда можете задать вопрос через форму обратной связи задать вопрос
1. Инструментальные углеродистые и легированные стали.
Сталь – сплав железа с углеродом, при содержании последнего С<2,14%.
Сталь является основной продукцией чёрной металлургии, ≈90% всего выпуска составляет углеродистая сталь, и ≈10% легированная.
Инструментальные углеродистые стали:
- обладают высокой твёрдостью после закалки;
- применяют для изготовления инструментов (отвёрток, напильников, топоров…);
- эти стали содержат высокое кол-во углерода от 0,7% до 1,7%.
Инструментальные легированные стали:
Основным требованием к сталям для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки инструмента в течение длительного времени. Чтобы режущая кромка была устойчива к истираниям она должна иметь высокую твёрдость. В процессе резания металла кромка, для такого инструмента главное требование – сохранение твёрдости при длительном нагреве (теплостойкость). При работе штамповой оснастки большую роль играет вязкость материала. В этом случае, лучшей сталью считается сталь, у кот. имеется наилучшее сочетание твёрдости.
Инструментальные стали общего назначения:
9ХС, ХВГ, ХВ5
9ХС – углерода 0,9%, хром и кремний по 1%;
Быстрорежущие стали:
- для изготовления режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания;
- должна обладать высокой горячей твёрдостью и красностойкостью
Красностойкость создаётся за счёт легирования карбидообразующими элементами: вольфрам, молибден, хром, ванадий.
Маркировка: Р18, Р9, Р6М5К5
Р – быстрорежущая сталь, 18% вольфрама, большое содержание углерода.
Все эти стали содержат углерод ≈1% и хром 3-5%
Из таких сталей изготавливают резцы, свёрла, фрезы.
2. Мех. свойства металлов. Хар-ки и методы определения основных мех. свойств.
Механические свойства металлов.
Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Пластичность – способность остаточно не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.
Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок (ударная вязкость).
Упругость – свойство твёрдого тела восстанавливать свою форму и объём после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.
Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела.
Хрупкость - способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.
Определение мех. свойств.
Динамическое нагружение – нагрузка прилагается ударом.
Статическое нагружение - медленное приложение и плавное возрастание нагрузки.
Самый распространённый – метод растяжения (разрывная машина)
Определение твёрдости
Наиболее распространены методы Бриннеля, Роквелла, Виккерса.
Определение по Бриннелю, твёрдость обозначается [НВ] – кгс/мм2 вдавливание шарика диаметром D и нагрузки F, связанных между собой соотношением F = KD2 (K – коэффициент зависящий от материала от 2,5 до 30).
Определение по Роквеллу, используют стальной шарик D = 1,588 мм и алмазный или твёрдосплавный конус. При вдавливании шарика твёрдость обозначают HRB (F = 1000 H), при вдавливании конуса HRC.
Твёрдость по Виккерсу (HV) – вдавливание алмазной пирамиды.
Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок (ударная вязкость).
Испытания проводят на маятниковом копре. [КС] – ударная вязкость.
4. Композиционные материалы.
- их называют материалами будущего;
- бывают многослойные и волокнистые;
- применение слоистых материалов позволяет в одном изделии получить сочетание различных свойств. Один слой, например, может обеспечивать прочность, другой – коррозийную стойкость;
- биметаллы сталь – титан, сталь – медь, могут использоваться для изготовления ёмкостей, труб, в кот. контактирующий с агрессивной средой тонкий слой – драгоценный цветной металл, несущая часть – дешёвая сталь;
- большое применение получаю волокнистые композиты. Долговечность, прочность, термостойкость, сопротивление коррозии, как правило выше чем у любого из компонентов; эти материалы используют в сверхзвуковых самолётах, в морской и космической технике; волокнистые композиты могут состоять из металлической основы и упрочняющего волокна различного происхождения. Ценное качество волокнистых композиций – высокое сопротивление наиболее опасным растягивающим напряжениям, это следствие того, что разрушение волокон носит локальный характер, пластичная матрица тормозит трещины, не даёт им слиться.
3. Стали с особыми свойствами:
- стали, способные сопротивляться коррозии и действию химически агрессивных сред.
Жаропрочные стали – стали, обладающие повышенными мех. свойствами при высоких t0.
Жаропрочность – способность материала противостоять мех. нагрузкам при высоких t-ах. Чем выше t-плавления сплава, тем выше его жаропрочность.
12ХМ, 12Х13, 12Х12В2МФ
0,12% углерода, 1% хрома…
Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению при высоких t-ах.
Чтобы получить это свойство в сталь вводят раскислители: Al, кремний, хром, кот. взаимодействуя с кислородом образуют плёнку окислов на поверхности детали, эта плёнка предохраняет сталь от дальнейшего окисления.
12Х17, 12Х18Н9, ХН45Ю (хром 1%, Ni 45%, Al 1%).
Нержавеющие стали:
- углеродистые стали, устойчивые против коррозии в атмосфере и воде. Добавление в них хрома способствует повышению коррозионной стойкости;
- сплавы, содержащие более 12% хрома ведут себя как благородные металлы – не окисляются на воздухе, воде, в ряде кислот и щелочей;
- хорошо свариваются контактной сваркой;
- применяют в пищей промышленности;
- часто для улучшения мех. свойств в нержавеющую сталь вводят никель
Криогенные стали:
- материалы для машин и оборудования предназначенных для получения, перевозки и хранения сжиженных газов.
- такие стали содержат большое кол-во никеля;
Износостойкие стали:
- чаще всего эти стали применяются в литом, кованном состоянии, т.к. они плохо подвергаются обработке резанием;
- наиболее распространена высокомарганцевая сталь марки 110Г13Л (ковши, гусеницы для тракторов);
- хорошей износостойкостью также обладают графитизированные стали, с содержанием 1,5-1,8% углерода и 0,8-1% кремния, после отжига в его структуре выделяется графит. Применяются для изготовления штампов, калибров и др.
5. Конструкционные углеродистые стали.
Стали, применяющиеся для изготовления различных конструкций, сооружений, деталей машин – наз. конструкционными.
Большая часть выплавляемых конструкционных сталей – углеродистые, у неё хорошие технологические свойства, экономичность.
Углеродистые конструкционные стали подразделяются: - углеродистые стали обычного качества и качественные. В зависимости от условий и степени раскисления углеродистые стали обычного качества делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс), кипящие (кп).
Спокойные стали имеют малое кол-во FeO, слиток имеет усадочную раковину, кот. при обработкой давлением отрезается; раскисляются марганцем и кремнием.
Кипящие стали – плохо раскисленные, раскисляются только марганцем, несмотря на наличие газовых пузырей и раковин они отличаются высокой пластичностью, более дешёвые. Эти стали хуже свариваются, проявляют большую склонность к старению и хладноломкости.
Полуспокойные стали занимают среднее положение между спокойными и кипящими, раскисляются алюминием.
Углеродистые конструкционные стали обычного качества:
- самые дешёвые, т.к. в них много вредных примесей, например, серы 0,06%, фосфора 0,07%, имеются другие неметаллические включения.
Маркировка:
Ст1кп (Ст – сталь углеродистая конструкционная обычного качества, 1 – номер по таблице ГОСТа, кп - кипящая).
Ст0пс ( - // - ; полуспокойная).
Применяется в строительстве, для изготовления неответственных деталей машин.
Качественные углеродистые конструкционные стали:
Отличаются от сталей обыч.кач. более точным хим. составом, меньшим содержанием серы (<0,04%), фосфора и других вредных примесей.
- подразделяются на низкоуглеродистые (<0,3% С, малопрочные, высокопластичные, шайбы, втулки, оси);
- среднеуглеродистые (0,3…0,55% С, более прочные и менее пластичные, детали машин);
- углеродистые (0,6…0,85%С, прочные с высокими упругими свойствами, износостойкостью, рессоры, пружины). Они обладают высокой горячей пластичностью, хорошо обрабатываются резанием.
Маркировка: Сталь 20 Гост 1050-74 (сталь углеродистая, конструкционная, качественная, содержание углерода в сотых долях %)
Качественные углеродистые стали применяются для изготовления деталей машин, подвергаются термической и химико-термической обработки.
9. Инструментальные твёрдые стали.
- изготавливаются методом порошковой металлургии.
- 3 группы инструментальных твёрдых сплавов:
Вольфрамовые:
ВК3 – кобальта 3%, остальное карбид вольфрама, ВК6 – кольта 6%, остальное карбид вольфрама, ВК20 – кобальта 20%, остальное карбид вольфрама.
Свойства: твёрдость ВК3 HRA/90, ВК6 HRA/89, ВК HRA/83
Титано-вольфрамовые:
Чем больше кобальта, тем меньше твёрдость.
Титано-вольфрамо-танаталовые:
Применение:
- основано на использовании таких свойств, как высокая теплостойкость, высокая твёрдость;
- эти стали – основной материал для изготовления металлорежущего инструмента (рабочая часть резцов, свёрел, фрез);
- изготавливают рабочие части пресс форм в порошковой металлургии с целью повышения их долговечности;
- в некоторых случаях, при изготовлении ответственных деталей наиболее нагруженных узлов, твёрдые сплавы применяют как конструкционный материал.
6. Кристаллизация металлов.
Все вещества могут находится в 3-х агрегатных состояниях: жидких, твёрдых, газообразных. В чистых металлах, при определённой t-ах происходит изменение агрегатного состояния. Твёрдое состояние сменяется при t-ах плавления, жидкое состояние сменяется газообразным при t-ах кипения.
- процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое, называется первичной кристаллизацией;
- металлы кристаллизуются при постоянной t-ре, TS – температура кристаллизации.
При достижении TS на графике появляется горизонтальная площадка, отвод тепла на какое-то время компенсируется выделяющейся при кристаллизации теплотой. Эта теплота наз. скрытой теплотой.
По окончании кристаллизации, t металла снова начинает снижаться. Tn – температура переохлаждения.
ΔT = TS – Tn – степень переохлаждения.
Физическая сущность: в 1838г. русский учёный Чернов изучал структуру литой стали и выяснил, что процесс кристаллизации состоит из 2-х элементарных процессов: 1) зарождение мельчайших частиц – центров кристаллизации; 2) рост зёрен из этих центров.
При t-х близких к TS в небольших V-ах жидкого металла могут возникать определённые группировки атомов, в кот. их расположение близко к расположению атомов в твёрдом металле, эти группировки и являются основой для образования центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Во всём объёме металла при понижении t возникает множество центров кристаллизации, вокруг кот. свободно растут кристаллы. Форма кристалла в этот момент геометрически правильная, друг от друга отличаются размерами и различной ориентировкой в пространстве, но как только растущие кристаллы придут в соприкосновение друг с другом, правильная геометрич. Форма нарушается.
В точках соприкосновения рост границ кристалла прекращается, а продолжается лишь в свободном направлении. В результате получается множество кристаллов неправильной формы, различно ориентированных в пространстве.
Кристаллы неправильной формы, наз. кристаллитами или зёрнами. Чем меньше зерно, тем оно прочнее. Измельчение зерна можно обеспечить введением специальных веществ (модификаторов), кот. играют роль искусственных центров кристаллизации.
Величина зерна имеет важное значение для эксплуатационных и технологических свойств материала. Крупно зернистый материал имеет низкую сопротивляемость ударам. При обтачивании имеет большую шероховатость. Размеры зёрен зависят от природы самого металла и от условий кристаллизации.
7. Д.С. Железо углерод. Классификация железо-углеродистых сталей.
Стали и чугуны многокомпонентные сплавы, основными элементами, определяющими их структуру и свойства.
Чистое железо – довольно мягкий, пластичный, малопрочный металл. Углерод – неметаллический полиморфный элемент.
Feα – ОЦК-решётка и Feγ – ГЦК-решётка. При t-е 768С – ОЦК, при 911С начинает не магнитить, при t-ре 911 ОЦК решётка переходит в ГЦК решётку. При t-ре 1392С ГЦК переходит в ОЦК решётку.
Д.С. имеет различные точки кристаллизации. Эти точки образуют линию начала кристаллизации ЛИКВИДУС (выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии).
Линии солидус – конец кристаллизации (ниже этой линии все сплавы в твёрдом состоянии).
Фазы:
Феррит – это твёрдый раствор углерода в Feα, ОЦК-решётка.
Аустенит – твёрдый раствор углерода в Feγ,ГЦК решётка, твёрдый раствор внедрения, в Feγ растворяется от 0,765 до 2,14%углерода.
Феррит и аустенит имеют зернистое строение.
Цементит – химическое соединение Fe + C = Fe3C (карбид железа), содержащее 6,67% углерода, имеет сложную ромбическую решётку, имеет высокую прочность.
Перлит – Феррит + цементит, бывает зернистым или пластинчатым. Образуется при t-ре 727С.
Ледебурит – аустенит + цементит при t-ах выше 727С, и перлит +цементит при t-ах ниже 727С. Образуется при t-ре 1147С
Первичная кристаллизация начинается по достижении t-р линии ABCD и заканчивается при t-ах линии AHECF.
При кристаллизации выделяются кристаллы твёрдого раствора. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается AHJE.
Превращения, происходящие в твёрдом состоянии называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом (при охлаждении из Feγ в Feα) и распадом аустенита.
Доэфтектоидные стали при t-ах ниже 727С имеют структуру феррит+перлит, а заэфтектоидные перлит+цементит.
В доэфтектических чугунах в интервале t-р от 1147 до 727С из аустенита выделяется цементит вторичный, при достижении t527 аустенит превращается в перлит.
Классификация сплавов:
По содержанию углерода сплавы разделяются на техническое железо (до 0,02% углерода), стали (до 2,14% углерода) и чугуны (>2,14% углерода).
Техническое железо применяют в элекрто технике. Его структура – зёрна феррита с включениями Ц3.
Стали подразделяются на эвтектоидную (~0,765%С), доэвтектоидную (0,02…0,765%С) и заэвтектоидную (0,765…2,14%С).
Чугуны различают эвтектический (~4,3% С), доэвтектический (2,14…4,3% С) и заэвтектический (>4,3% С).
10. Чугуны. Состав, свойства, маркировка, область применения.
- отличаются от стали по хим. составу более высоким содержанием углерода (от 2,14 до 6,67%);
- отличаются также технологическими свойствами: лучшими литейными свойствами и малой способностью к пластической деформации;
- В зависимости от состояния углерода в чугуне различают белые и серые чугуны.
Белые – весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа (цементит).
Серые – большая часть углерода находится в свободном состоянии в форме графитовых включений.
В зависимости от формы графитовых включений серые чугуны делятся на: серые, ковкие, высокопрочные.
Серые чугуны – имеют пластичную форму графитовых включений.
Ковкие – имеют хлопьевидную форму графитовых включений.
Высокопрочные – имеют шаровидную форму графитовых включений.
Маркировка серых чугунов: СЧ15 (СЧ20, СЧ25)
Сч – серый чугун с пластинчатой формой графитовых включений, 15 – предел прочности в кг/мм2.
Маркировка высокопрочных чугунов: ВЧ 80
ВЧ – высокопрочный чугун, 80 – предел прочности в кг/мм2.
Маркировка ковких чугунов: КЧ60-5
КЧ – ковкий чугун, 60 – предел прочности в кг/мм2, 5 – относительное удлинение.
Иногда для повышения технологических или механических свойств в чугуны вводят спец. Элементы, такие чугуны называются легированными.
11. Легированные стали.
В современном машиностроении широкое распространение находят стали, в кот. помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, кот. принято называть легирующими элементами, а стали легированными.
Легирующие элементы могут находится:
- в свободном состоянии (практически не встречается);
- в форме интерметаллических соединений с Fe или другими соединениями;
- в виде оксидов, сульфидов и др. неметаллических включений;
- в карбидной фазе (соединения с углеродом);
- в форме раствора в железе.
Наиболее часто легирующие элементы растворяются в основных фазах железо-углеродистых сплавов, также образуют специальные карбиды.
Классификация:
1. по составу (никилевые, хромовые, хромо-никелевые, хромо-никеле-молибденовые и др.);
2. по назначению:
- конструкционные легированные стали (для изготовления деталей машин);
- инструментальные легированные стали (для изготовления инструмента);
- стали и сплавы с особыми свойствами (нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и др.).
Маркировка.
- состоит из цифр и букв указывающих на примерный состав. Каждый легирующий элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита: Н – никель, Х – хром, М – молибден, Г – марганец, Д – медь, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, С – кремний, П – фосфор, В – вольфрам, Т – титан, А – азот, Ф – ванадий, Ю – алюминий.
- первые цифры в обозначении стали показывают содержание углерода в сотых долях %
- цифры, кот. идут после буквы – указывают примерное содержание данного легирующего элемента в %. Если цифры отсутствуют, то данного элемента содержится около 1%.
- Буква А в конце маркировки – высококачественная.
30ХГС легированная конструкционная сталь, 0,3% хрома, марганец и кремний по 1%.
12. Пластмассы.
- материалы, полученные на основе природных или синтетических полимеров, способных под воздействием t-ры и давления формироваться в изделие сложной формы, а затем устойчиво сохранять форму.
Компоненты пластмасс:
- связующее вещество – служит для связки, сохранения других компонентов; применяют синтетические смолы; некоторые пластмассы состоят из одного связующего вещества (полиэтилен, оргстекло);
- наполнители – добавляют в кол-ве 40-70% с целью повышения мех. свойств, снижения стоимости изделия; часто служат порошково деревянная мука, графит, окись кремния, часто используют волокнистые материалы (хлопчатобумажные нити), иногда листовые материалы (бумага, ткань, шпон);
- пластификаторы – добавляются в кол-ве 10-20% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости; служат эфиры, полимеры с гибкими молекулами;
- отвердители – добавляют в кол-ве нескольких % для отвердвления термопластов; служат перекиси и спец.амины.
- спец. добавки – красители, ускорители, смазочные, отвердители, замедлители.
Пластмассы подразделяют на 2-е группы: термопласты (обратимые), термореактивы (необратимые).
Термопласты:
Полиэтилен: - продукт полимеризации этилена; высокие антикоррозионные и диэлектрические свойства; применяется ввиде труб плёнок и т.д., хороший изолятор.
Полистирол: - продукт полимеризации стирола; свойства как у полиэтилена; но имеет большую прочность и твёрдость; раковины, детали холодильников, прищепки.
Органическое стекло: - полимер с высокой светопрозрачностью, значительной прочностью, и малой плотностью; легко формуется, склеивается, сваривается, обрабатывается резанием; изготавливают стёкла часов, авто, самолётов, детали различных приборов.
Термореактивы:
Текстолит: - наполнителем служит хлопчатобумажная ткань; изготавливают подшипники, шестерни, прокладки, электропанели; высокая стойкость к вибрации, хороший диэлектрик.
Гетинакс: - прессованные листы, состоящие из нескольких слоёв пропиточной и изоляционной бумаги, пропитанной специальными смолами; применения и свойства аналогичны текстолиту.
Стеклопластик: - содержит стекловолокнистый наполнитель и смолу; иногда вместо стекловолокна используют лавсан; применяют в судостроении, машиностроении, при изготовлении различных ёмкостей и облицовочных материалов.
15. Методы определения твёрдости металлов.
К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).
Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.
Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. Измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.
Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.
Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.
После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккер
16. Металлы – общая характеристика
Все металлы и сплавы делятся: - железо и сплавы на его основе – чёрные металлы; - остальные металлы – цветные металлы.
Наибольшее распространение нашли чёрные металлы. На основе железа изготавливается до 90% всех конструкционных материалов. Стоимость чёрных металлов ниже стоимости цветных.
Цветные металлы: - лёгкие (алюминий, титан, бериллий); - легкоплавкие (цинк, олово, свинец); - тугоплавкие (титан, хром, молибден, вольфрам); - благородные (золото, платина, серебро) обладают химической инертностью.
Общая характеристика металлов:
- высокая тепло- и электро проводность;
- положительный температурный коэффициент электро сопротивления. Часть металлов обладают сверхпроводимостью при t-ах близких к 0С;
- обладают термоэлектронной эмиссией, способностью испускать ē-ы при нагреве;
- хорошая отражательная способность, металлы не прозрачны и обладают блеском;
- повышенная способность к пластической деформации.
Металлы и металлические сплавы, как правило тела кристаллические, атомы и ионы расположены в них закономерно.
Металлы – поликристаллические тела, состоящих из большого числа мелких, различно ориентированных в пространстве кристаллов (от 1мм и меньше).
Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне необходимое число ē, кот. слабо связано с ядром, и поэтому находится в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ.
Металлическое состояние возникает в группе атомов, когда при их сближении внешние ē теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными периодически расположенными ионами.
17. Легирование стали
Примеси, специально вводимые в сталь с целью изменения её структуры и свойств, называют легирующими.
Легирующие элементы образуют в стали твёрдые растворы с Feγ и Feα, легированный цементит, специальные карбиды и интермеллиды.
Легирующие элементы (кроме углерода, азота, бария) образуют с железом твёрдые растворы замещения. Часть легирующих элементов (хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний, алюминий) стабилизируют ОЦК решётку (Feα). Другие элементы (никель, марганец) стабилизируют ГЦК решётку (Feγ).
В настоящее время применяется комплексное легирование, т.е. двумя, тремя и т.д. элементами, но их влияние на альфа и гамма области не суммируется. Изучение тройных и т.д. сплавов ведётся с помощью изотермических и политермических сечений сложных диаграмм состояния.
Образуя твёрдые растворы замещения с железом, легирующие элементы вносят дополнительные искажения в кристаллическую решётку. В легированном феррите несколько повышается прочность при практически одном и том же относительном удлинении, снижается ударная вязкость и повышается порог хладноломкости. Наиболее сильно упрочняют феррит кремний и марганец, однако при содержании более 2,5…3,0% они значительно снижают пластичность и вязкость. Только легирование никелем (1…3%) одновременно повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, снижает порог хладноломкости.
Взаимодействуя с углеродом, легирующие элементы – некарбидообразующие - способствуют графитизации (кремний, никель, медь, алюминий), а карбидообразующие (титан, хром, марганец, молибден, вольфрам) при малых кол-вах растворяются в цементите, при больших образуют специальные карбиды. Эти карбиды, не растворяясь до высоких t-р, тормозят рекристаллизацию, препятствуют росту зерна.
При высоком содержании легирующие элементы могут образовывать интерметаллиды FeCr, кот. делают сталь хрупкой.
18. Виды кристаллических решёток металлов. Дефекты кристаллического строения и их влияние на свойства.
Атомы в кристаллическом твёрдом теле располагаются в системе закономерно, периодически повторяясь в 3-х измерениях, через строго определённые расстояния, т.е. образуют кристаллическую решётку
Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки.
Атомы в кристаллической решётке располагаются как в вершинах, так и в других точках элементарной ячейки. На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов. В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.
1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.
Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.
2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.
Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.
3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.
4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.
В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.
Примеры:
ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe;
ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe;
ГПУ – бериллий … .
Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.
Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.
На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.
Для ГЦК на одну ячейку приходится четыре атома.
Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.
От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.
Базис решётки – кол-во атомов, приходящиеся на одну элементарную ячейку (для ОЦК = 2, ГЦК = 4, ГПУ = 6).
Дефекты кристаллических решёток.
- дефекты имеют особое влияние на прочность: - чем меньше дефектов, тем больше прочность, но есть и варианты, когда повышение прочности происходит при увеличении концентрации дефектов (например, упрочнение термической обработкой).
3 вида дефектов:
- Точечные – малы; образуются в результате тепловых колебаний атомов, пластической деформации, загрязнённости металла примесями, облучения; при всех воздействиях в металле возникают вакансии – пустые узлы решётки и дислоцированные атомы (расположенные в междоузлиях).
- Линейные дефекты – имеют малые размеры в 2-х измерениях и большую протяжённость на з-ем; возникают дислокациях: краевая – образовывается краем экстраплоскости (линии полуплоскости), винтовая – линия, относительно кот. атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности (винтовая дислокация более подвижна, чем краевая), смешанной
- Поверхностные дефекты – представляют собой поверхности раздела между отдельными зёрнами или их блоками; зёрна имеют разную ориентировку; сами зёрна состоят из блоков и субзёрен; границы блоков имеют дислокационное проихождение, и являются малоугольными.
19. Подшипниковые сплавы.
- это сплавы, из кот. изготавливают вкладыши подшипников скольжения;
Металл вкладыша должен иметь свойства: - низкий коэффициент трения по стали; - износостойкость и хорошая прерабатываемость; - способность выдерживать большие давления.
Наиболее отвечают этим свойствам материалы, структура кот. состоит из твёрдых включений и мягкой основы (принцип Шапри).
Такой структурой обладают сплавы олово + свинец, олово + сурьма, сурьма + свинец. Их называют баббиты.
Маркировка баббитов:
Б83 (83 % олова + 11% сурьмы + 6% меди)
Б16 (16% олова + 16% сурьмы + остальные добавки)
В последнее время применение нашли кольцевые баббиты БК1, БК2 и сплавы типа ЦАМ (цинк, алюминий, медь), лучшими являются оловянистые баббиты.
21. Сплавы. Основные виды взаимодействия компонентов сплавов.
Сплавы – вещества, полученные сплавлением 2-3 или более элементов.
Металлический сплав – сплав, приготовленный из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами.
Строение металлического сплава более сложное, чем строение чистого металла, оно зависит от характера взаимодействия различных компонентов, составляющих сплав.
Основные виды взаимодействия сплавов:
- Механическая смесь – образуется, когда компоненты сплава (А и В) не способны к взаимному растворению в твёрдом и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Сплав состоит из А и В, под микроскопом видно что, каждый имеет свою кристаллическую решётку.
Механические свойства сплава зависят от количественного соотношения компонентов.
- Химическое соединение – образуется при сплавлении элементов сильно отличающихся по своему строению и свойствам. Химические соединения имеют строго определённое соотношение атомов, кот. выражается формулой: Am – Bn. Химические соединения имеют новую кристаллическую решётку, отличающуюся от сплавляемых элементов. Свойства химического соединения резко отличаются от свойств элементов их образующих.
- Твёрдый раствор на основе одного из компонентов сплава – в жидком состоянии большинство металлических сплавов представляют собой однородные жидкости. При переходе в твёрдое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, сохраняется и растворимость.
Твёрдый раствор – это твёрдая фаза, образующаяся в результате кристаллизации сплава.
Если провести химический анализ, то будет выявлено наличие 2-х и более элементов. Если изучать такой сплав, то как в чистых металлах наблюдаются однородные зёрна. Рентгеновский анализ обнаруживает в твёрдом растворе только один тип кристаллической решётки.
В отличие от мех. смеси твёрдый раствор является однофазным. Состоит из 1-го вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решётку. В отличие от хим. соединения, твёрдый раствор существует не при определённом соотношении атомов, а в интервале.
Твёрдые растворы делят на 2-е группы:
- твёрдые растворы замещения - образуются при частичном замещении в кристаллической решётке атомов А, атомами В.
- твёрдые растворы внедрения – образуются, когда атомы растворяемого элемента распределяются в решётке беспорядочно.
При образовании твёрдого раствора сохраняется решётка одного из элементов, кот. наз. растворителем.
27. Высокопрочные. Пружинные. Шарико подшипниковые стали.
Высокопрочные конструкционные стали.
Новейшая техника предъявляет повышенные требования к прочности. Для наиболее ответственных узлов требуется, чтобы материал деталей имел прочность σВ = 1800-2000 Мпа, а то и более.
Высокая прочность достигается за счёт снижения пластичности подбором хим. состава стали и за счёт специфичной обработки.
Стали, обработанные на высокую прочность σВ = более 1500 Мпа, наз. высокопрочными.
К таким сталям относятся: стали обычного состава, но с мелкозернистой структурой и высокочистые (Н18К8М5Е)
Пружинные стали.
Работа рессор и пружин, характеризуется тем, что в них используются упругие свойства стали. Главное требование – высокий предел упругости.
Как правило рессоры и пружину изготавливают из стали с повышенным содержанием углерода (0,5-0,7%) и молибдена, кремния, марганца (55СГ)
Для наиболее ответственных рессор и пружин используют хромованадиевую сталь 50Ф
Шарикоподшипниковые стали
- обладают высокой твёрдостью; - высокоуглеродистые стали с высоким содержанием хрома
ШХ6, ШХ9 ШХ15СГ – все эти стали содержат ≈1% углерода и хрома от 0,6-1,5%
Иногда для изготовления шариков и подшипников применяют другие марки стали – Х18 (1% углерода, 18% хрома); высокое содержание хрома и стойкий к воздействию вредной агрессивной среды.
22. Диаграмма состояния бинарных сплавов.
Диаграмма состояния представляет собой графическое отображение состояния сплава в зависимости от температуры, давления и концентрации. Диаграмма есть наглядное отображение устойчивых фаз при комнатной температуре. Мера устойчивости фаз определяется законом Гиббса или правилом фаз. Правило фаз устанавливает связь между числом степеней свободы, числом фаз и компонентов. Под числом степеней свободы понимают число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Правило фаз выполняется : с = к - ф + 2, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления.
С учетом правила фаз, как объясняющего процесс кристаллизации, кристаллизацию металлов, которая протекает при постоянной температуре можно объяснить следующим образом:
С12 =1-1+1=1 С2=1-2+1=0 С2`-3=1-1+1=1
Для двухкомпонентных систем, при с=0 процесс будет происходить при постоянной температуре, при с=1 или с=2 с изменением температуры по времени.
Диаграмма состояния для двух компонентной системы образует механическую смесь.
Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус. а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). Механическая смесь, состоящая из двух или более фаз, одновременно кристаллизующаяся в жидкости называется эвтептикой. Ниже точки Д на диаграмме структура представляет собой чисто эвтептической.
Правило отрезков.
Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.
Правило фаз действует только в двухфазной области.
Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, образующие неограниченные твердые растворы.
АаВ - линия ликвидус.
АвВ – линия солидус.
Выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии, ниже линии солидус – в твердом. При кристаллизации сплавов по диаграмме этого типа из жидкости будут выделятся не жидкие компоненты, а твердые растворы. Это обусловлено тем, что при сплавлении компонентов А и В образуется непрерывный ряд твердых растворов, т.е. растворов неограниченной растворимости. Отсюда - твердый раствор компонента В в компоненте А.
Диаграмма состояния с химическими соединениями.
Под химическими соединениями понимаются соединения, образующиеся при строго определенном количественном соотношении атомов сплавляемых компонентов.
Различают диаграммы с устойчивыми химическими соединениями и не устойчивыми химическими соединениями.
Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением
Химическое соединение считается устойчивых, если оно плавится без разложения (предварительного).
Диаграмма состояния с неустойчивым химическим соединением
Характерным для неустойчивого химического соединения является то, что разлагается с повышением температуры.
24. Медь и сплавы на её основе.
- по своим свойствам медь близка к благородным металлам. Её иногда называют полублагородным металлом.
Свойства чистой меди: - высокая пластичность, высокая тепло и электро проводность;
Литая медь Δl = 15-20%, σВ = от 150
Маркировка чистой меди: М000 (99,99 % меди); М1 (99,9% меди); М2 (99,7% меди); М3 (99,5% меди).
Применяется в качестве проводникового материала в электротехнике и строительстве, контакты, наконечники для машин точечной сварки
Сплавы меди с цинком:
- называются латунями; практическое применение нашли сплавы меди и цинка до 45%; цинк повышает прочность и пластичность латуни.
- Максимально пластичностью обладает сплав цинк=30%; максимальной прочностью сплав цинк=40%
Маркировка: Л96 (96% меди + 4% цинка)
Иногда для повышения прочности латуни её легируют алюминием, железом, марганцем и называют спец. латунями.
Бронзы:
- это сплавы меди, олова, железа, берилия, алюминия и меди
название бронзам дают по названию основных легирующих элементов (оловянистые бронзы, железистые бронзы)
Маркировка: - деформированная: БрОЦС5-5-5 (бронза; олово, цинк, свинец по 5%, остальное медь); - литая БрО5У5С5
Мех. свойства бронзы:
- зависят от состава и концентрации легирующего элемента
- оловянистые бронзы σВ = 150-450Мпа, твёрдость до 600Мпа, Δl = от 3 до 70%
- алюмине-железистые бронзы: Бр АЖ 9-4 (алюминия 9%, железа 4%, остальное медь). НВ = 1800Мпа, если добавить никель, твёрдость ещё более повысится.
Области применения:
- изготовление втулок, вкладыши, припой для пайки изделий
25. Алюминий и сплавы на его основе.
Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква "Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.
А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;
А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.