Материаловедение и технология конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ответы на вопросы курсу «Материаловедение и ТКМ»

Основные свойства металлов и сплавов

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру (кубическая, тетрагональная, гексагональная, триагональная, ромбическая, моноклинная и триклинная).

Для металлов характерна металлическая химическая связь (++).

Для твердых тел характерна электропроводность, если воздействие внешнего поля вызывает переход электрона на более высокий энергетический уровень.

Металлы обладают пластичностью, теплопроводностью, электропроводностью и характерным металлическим блеском.

Все кристаллы обладают неодинаковостью механических, электрических, тепловых, оптических, и пр. свойств по разным направлениям. Это свойство носит название анизотронии.

Деформация упругая-- обратимая деформация, при которой восстанавливается прежняя форма тела после устранения сил, ее вызывающих. Истинно упругие деформации распространяются быстро, практически мгновенно, со скоростью приложения нагрузки. В некоторых г. п. или в г. п., залегающих в особых геол. условиях (на больших глубинах), Д. у. лишь со временем достигает своего максимума, соответствующего заданному напряжению. Такие явления упругих последствий -- упруговязких (пластичных) деформаций возникают, напр., благодаря замедленной деформации пленок связанной воды или в какой-то мере гидратированного цемента. Упруговязкие деформации восстанавливаются также Постепенно, т. е. здесь имеют место обратимые упруговязкне последействия.

Деформация пластическая-- изменение формы г. п. без разрыва ее сплошности под действием внешней силы. Д. п. не восстанавливается после устранения сил, ее вызывающих. Она может развиваться мгновенно, когда усилия превысят предел упругости или прочности г. п. В некоторых породах Д. п. нередко переходит в пластическое течение при постоянной или постепенно увеличивающейся нагрузке. Такая Д. п. в зависимости от действующей нагрузки развивается во времени с той или иной скоростью, т. е. является вязко-пластической. Син.: деформация остаточная.

Кристаллическое строение металлов

Металлы это группа элементов, расположенная левее галлия, индия и талия, а не металлы - правее мышьяка, сурьмы, висмута. У металлов в узлах решетки расположены протоны (ионы), между протонами расположены электроны не прочно связанные с ними. У металлов на наружных оболочках расположены один - три электрона, у неметаллов много электронов пять - восемь. При соединении металлы отдают свои электроны не металлическим материалам, заряжаясь положительно. Неметаллы заряжаются отрицательно. В технике под металлом понимают вещества, обладающие металлическим блеском, пластичностью, ковкостью, электропроводимостью. Металлические сплавы, состоящие из 2-х и более элементов, называются металлическими, так как обладают теми же свойствами. С повышением температур у всех металлов и сплавов электропроводимость уменьшается, с понижением температуры - увеличивается, достигая у некоторых металлов сверхпроводимость.

Виды кристаллических решеток: Простейшим типом кристаллической решетки является кубическая решетка, в которой 8 атомов (ионов), упакованы не плотно. Расстояние между атомами измеряется в ангстремах 1А0=10-8 см.; координационное число этой решетки равно 6 (К6). Стремление атомов (ионов) металлов и сплавов занимать наиболее близкое расстояние между собой приводит к образованию решеток других типов. В результате могут образоваться следующие решетки:

Кубическая объемно-центрированная: ОЦК К=8

Кубическая гранецентрированная: ГЦК. К=12

Гексагональная: Г К=6

Гексагональная плотноупакованная: ГПУ К=1

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки, которые обозначаются «а», «с». Число атомов находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома, называется координационным числом и обозначается буквой «К». Чем больше «К» тем более плотная упаковка атомов в кристаллической решетке.

Необходимо помнить, что каждый металл обладает определенной кристаллической решеткой, которая у большинства металлов не перестраивается при повышении (понижении) температуры. У некоторых металлов (Fe, Co, Mn, Ti, Sn, Zr,U), решетка меняется под влиянием температур, давления. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией и обозначается буквами б , в ,г ,д и т.д. Изменение строения решетки приводит к изменению физико - химико - механических свойств (плотность, способность растворять другие элементы). Для металлов типичны решетки ОЦК, ГЦК, ГПУ с большим координационным числом.

Аллотропия(от алло... и греч. tropos -- поворот, свойство), существование химических элементов в виде двух или более кристаллических фаз. Аллотропия -- частный случай полиморфизма. В понятие аллотропия включают также существование некристаллических фаз, таких, как кислород и озон, орто- и параводород. Большинство простых веществ существуют в нескольких аллотропных модификациях. Например, для чистого железа при атмосферном давлении известны три модификации: a-железо « b-железо « d-железо; ОЦК 910о С ГЦК 1400о С ОЦК.

Анизотрония (от греч. anisos -- неравный и tropos -- направление), зависимость свойств вещества от направления. Анизотропия характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов, т. к. обусловлена закономерностью и симметрией их внутреннего строения. (см. Неймана принцип, Симметрии принцип Кюри). Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых своих свойств обязательно анизотропны. Анизотропия является следствием того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между атомами и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.

В твердых растворах замещения атомы растворенного элемента занимают позиции атомов растворителя в узах решетки, т. е. замещают их. Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

-Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными)кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

-Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 - 15% .Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атоме. Например, металлы с ГЦК - решеткой: Ag--Au, Ni--Cu, Ni--Rd, с ОЦК - решеткой: Mo--W, V--Ti

-Твердые растворы замещения могут образовывать изоморфные соединения. Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре. Неограниченная растворимость возможна только в растворах замещения. В ряду изоморфных твердых растворов физические свойства изменяются непрерывно в зависимости от концентрации каждого компонента. Это дает возможность подбирать и кристаллизовать материал с преимуществами каждого из исходных компонентов, создавая вещества с заданными свойствами.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного элемента занимают межузельные позиции (пустоты) в решетке растворителя, внедряясь между атомами последнего. Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик, например, в металлах атомы C, N, H. В полупроводниках часто встречаются случаи, когда растворенный элемент занимает частично позиции замещения и позиции внедрения, т. е. имеет место суперпозиция двух типов твердых растворов.

Твердые расстворы, однородные твердые вещества, состоящие из нескольких компонентов, концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре, давлении и т. п. без нарушения однородности. Признаком образования твердого раствора является сохранение типа решетки компонента растворителя, сопровождающееся изменением размера элементарной ячейки. Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Отсюда следует, что неограниченная растворимость возможна только в том случае, если исходные компоненты обладают решеткой одного типа.

Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) -- микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому

кристаллическое строение металл твердый раствор

5-6-7.Аустенит - твердый раствор углерода в у-железе. Сплавы с содержанием углерода до 2% (стали) при высоких температурах (выше 727° С) имеют структуру чистого аустенита (на диаграмме, изображенной на рис. 13, область AESG). Кристаллическая решетка аустенита - гранецентрированный куб. При нормальной температуре (18-24° С) аустенит в простых железоуглеродистых сплавах увидеть нельзя. Аустенит, обладающий высокой пластичностью (8 = 40-50%) и низкой твердостью (НВ170-200), хорошо поддается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке).

Феррит - твердый раствор углерода в а-железе. В феррите растворяется очень мало углерода (до0,02%). Техническое железо имеет структуру чистого феррита (на диаграмме область GPQ). Кристаллическая решетка феррита - объемно-центрированный куб. Феррит, обладающий высокой пластичностью и низкой твердостью (6 = 40-50%; НВ80-120), хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии (волочению, штамповке) . Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче и пластичнее.

Цементит - самая твердая (НВ800) и хрупкая (6 = 0%) составляющая железоуглеродистых сплавов- представляет собой химическое соединение железа и углерода (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67%. углерода. Кристаллическая решетка цементита сложная. Особенность цементита состоит в том, что в присутствии значительного количества некоторых элементов, например кремния Si, цементит может вообще не образоваться или может распадаться с образованием углерода - графита и железа. Сплавы из чистого цементита на практике не применяют. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и хрупче.

Перлит - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% углерода. Перлит образуется при перекристаллизации (разложении) аустенита при температуре 727° С (на диаграмме линия РК). Распад аустенита на перлит называется эвтектоидным превращением, а перлит - эвтектоидом. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах при температурах ниже 727° С, обладает высокой прочностью (сгв до 80 кгс/мм2) и твердостью (НВ200). Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств. Поэтому чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механических свойств сплава.

Ледебурит--механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3% при постоянной температуре 1147°С (точка С на диаграмме). Ледебурит- единственный из всех железоуглеродистых сплавов, который кристаллизуется при постоянной температуре с образованием механической смеси. Такая кристаллизация называется эвтектической, а ледебурит - эвтектикой. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами.

Практическое использование диаграммы состояний. Применяемые в промышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5% углерода. Сплавы железа с углеродом до 2% называются сталями, сплавы железа с углеродом более 2%-чугунами.

Линия ACD - линия ликвидус -изображает температуру начала затвердевания сталей и чугунов. Выше температуры сплав полностью расплавляется, т. е. Переходит в жидкое состояние.

Линия AECF- линия солидус - изображает температуру окончания затвердевания и начала плавления сталей и белых чугунов. Между линиями ликвидус и солидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии.

Для практического использования диаграммы проследим за структурными превращениями характерных железоуглеродистых сплавов при их охлаждении. Сплав I (сталь содержит углерода менее 0,83%), Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии, С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита.

При дальнейшем понижении температуры количество закристаллизовавшегося аустенита увеличивается и при температуре, соответствующей линии АЕ, сталь, состоящая из аустенита, полностью затвердевает. Ниже линии АЕ сталь охлаждается без превращений до температуры, соответствующей линии GS. При этой температуре из твердого аустенита начинают выделяться зерна феррита с очень малым содержанием углерода, поэтому в оставшемся аустените количество углерода увеличивается.

Сплав II (сталь содержит углерода 0,83%). Процесс кристаллизации идет между линиями ликвидус АС и солидус АЕ, аналогично кристаллизации сплава I (см. рис. 13). Закристаллизовавшийся аустенит охлаждается до точки S. При температуре 727° С, соответствующей точке S, происходит перекристаллизация аустенита с образованием перлита (эвтектоидное превращение). Сталь, имеющую структуру перлита, называют эвтекто-идной (рис. 14,е). Строение эвтектоидной стали при нормальных температурах пластинчатое, т. е. сталь состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Сплав III (сталь содержит углерода более 0,83%). Кристаллизация сплава III аналогична кристаллизации сплава I. При температуре ниже линии АЕ сталь имеет структуру аустенита. На линии ES из аустенита по границам его зерен начинают выделяться включения с содержанием углерода 6,67%-цементит. Поскольку цементит в этом случае образовался из твердого аустенита, т. е. при перекристаллизации стали, его называют вторичным цементитом - Цп. Вторичный цементит выделяется из аустенита при понижении температуры до 727° С.

При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение. Оставшийся аустенит, содержащий углерода 0,83%, перекристаллизуется в перлит. При нормальных температурах структура стали с содержанием углерода более 0,83% состоит из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита.

Сплав IV (чугун содержит углерода более 2%). Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристаллизовавшегося аустенита все время увеличивается. При достижении температуры 1147° С (на линии EF) оставшаяся часть жидкого расплава моментально кристаллизуется с образованием механической смеси аустенита и цементита, т. е. происходит эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики ледебурита. Начиная с температуры 1147 до 727° С из аустенита выделяется вторичный цементит Цц. При температуре 727° С происходит эвтектоидное превращение - из аустенита образуется перлит.

При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и эвтектики ледебурита. Эвтектика ледебурита после эвтектоидного превращения представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Чугуны с содержанием углерода до 4,3% называются доэвтектическими чугунами. Если углерод находится в чугунах в химически связанном состоянии с железом, т. е. в цементите, то такие чугуны называются белыми чугунами.

Сплав V (чугун содержит 4,3% углерода). До температуры 1147°С сПлав находится в жидком состоянии. При температуре 1147° С (точка С на диаграмме) происходит эвтектическая кристаллизация с одновременным образованием включений аустенита и цементита. От температуры 1147 до 727° С из аустенита выделяется вторичный цементит. При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение - из аустенита образуется перлит. Чугун с содержанием углерода 4,3% называют эвтектическим белым чугуном. При нормальных температурах структура белого эвтектического чугуна состоит из включений перлита и цементита.

Сплав VI (чугун содержит углерода 4,3%). При температуре выше линии CD сплав находится в жидком состоянии. На линии CD начинают кристаллизоваться включения цементита, который называют первичным цементитом Ц. При понижении температуры до 1147° С количество цементита все время увеличивается. На линии EF при температуре 1147°С происходит эвтектическая кристаллизация (оставшаяся часть жидкого расплава кристаллизуется с одновременным образованием включений аустенита и цементита). При дальнейшем понижении температуры до 727° С первичный цементит сохраняется.

Ниже линии EF из аустенита эвтектики при охлаждении выделяется вторичный цементит Цц. При температуре 727° С происходит эвтектоидное превращение -из аустенита образуется перлит. Чугуны с содержанием углерода более 4,3% называют заэвтектическими. При нормальных температурах структура белого заэвтектического чугуна состоит из включений пер« вичного цементита и эвтектики ледебурита, представляющей собой при нормальных температурах смесь перлита и цементита.

8. Углеромдистая сталь -- сталь с содержанием углерода от 0,8 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали -- 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной -- 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А, к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов -- марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У -- углеродистая, следующая за ней цифра -- среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г -- повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую красностойкость.

Классификация инструментальных сталей

Инструментальные стали делятся на четыре категории:

* Пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые)

* Повышенной прокаливаемости (легированные)

* Штамповые стали

* Быстрорежущие

Размещено на Allbest.ru