Строение и свойство материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

По дисциплине: Материаловедение

Студент: Кожевникова М.А.

Преподаватель: Чуклин А.В.

Серпухов 2013

1. Строение твердых тел

молекулярный сталь медь аморфный

Твёрдые тела делят на кристаллические и аморфные.

Рисунок 1 Кристаллические и аморфные тела

Кристаллические тела - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Рисунок 2 Упорядоченное положение атомов или молекул

В отличие от жидкостей твердое тело сохраняет не только свой объем, но и форму и обладает значительной прочностью.

Основные свойства кристаллических тел:

1.) Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении

2.) Для кристаллических тел характерно наличие пространственной кристаллической решетки, которая представляет собой упорядоченное расположение молекул, атомов или ионов, повторяющееся по всему объему тела (дальний порядок).

3.) Физические свойства (механические, электрические, магнитные, тепловые и др.) монокристаллов различны по разным направлениям внутри кристалла. Это явление называют анизотропией кристаллов. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. А механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц.

2.) Кристаллическая структура связана с минимумом потенциальной энергии, т.е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы их взаимная потенциальная энергия была минимальной.

Аморфные тела -- конденсированное состояние вещества, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней и обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях. Аморфные вещества не имеют определённой точки плавления: при повышении температуры стабильно-аморфные вещества постепенно размягчаются и выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние. Вещества, обычно имеющие (поли-) кристаллическую структуру, но сильно переохлаждённые при затвердевании, могут затвердевать в аморфном состоянии, которое при последующем нагреве или с течением времени кристаллизуется (в твёрдом состоянии с небольшим выделением тепла).

Рисунок 3 Структура аморфных веществ

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава, или при конденсации паров на охлаждённую заметно ниже температуры плавления поверхность-подложку. Соотношение реальной скорости охлаждения и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме. У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд; для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения -- сотни и тысячи лет. Кварц (SiO2) также имеет низкую скорость кристаллизации, поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.

Все физические свойства аморфного и поликристаллического состояний одного и того же вещества заметно отличаются (кроме плотности).

Электрические и механические свойства аморфных веществ ближе к таковым для монокристаллов, чем для поликристаллов из-за отсутствия резких и сильно загрязнённых примесями межкристаллических границ с зачастую абсолютно другим химическим составом. Немеханические свойства полуаморфных состояний обычно являются промежуточными между аморфными и кристаллическими и изотропны.

При внешних воздействиях аморфные вещества обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно кристаллическим твердым веществам, и текучесть, подобно жидкости, поэтому моделируются в механике сплошных сред как вязкоупругие среды. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые вещества и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии (например растяжении) аморфные вещества текут. Например, аморфным веществом также является смола (или гудрон, битум). Если раздробить её на мелкие части и получившейся массой заполнить сосуд, то через некоторое время смола сольётся в единое целое и примет форму сосуда.

В зависимости от электрических свойств, разделяют аморфные металлы, аморфные неметаллы и аморфные полупроводники.

2. Определение атомно-молекулярной структуры твердых тел

Для определения атомно-молекулярной структуры твердых тел используют дифракционные методы:

1.) Рентгеновское излучение при прохождении через кристалл взаимодействует с электронными оболочками атомов, и дифракционная картина отражает распределение электронной плотности в веществе, которую можно характеризовать как функцию координат .

2.) Электронография использует электроны таких энергий, что они взаимодействуют не с электронными оболочками, а с электростатическим полем атома. Такое взаимодействие значительно сильнее, чем в случае рентгеновского излучения, поэтому интенсивность дифракции электронов примерно в 106 раз больше, чем для рентгеновских лучей.

3.) В методе нейтронографии нейтроны взаимодействуют с дельтообразным потенциалом ядерных сил. Интенсивность дифракции примерно в 100 раз меньше, чем для рентгеновского излучения. Однако метод обладает тем преимуществом, что с его помощью легко выявляется различие атомов с близкими порядковыми номерами в таблице Менделеева, что трудно сделать методами рентгенографии и электронографии.

Легированная сталь -- сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы (легирующие), специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств.

Легированные стали менее теплопроводны по сравнению с углеродистыми. Это необходимо учитывать и особенно осторожно нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других -- ниже; выбор температур термической обработки производится в зависимости от содержания в стали легирующих эле­ментов.

Все легирующие элементы, за исключением Мn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, образующие в сталях карбиды (Сr, Mo, W, V, Ti): карбиды располагаются по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцевистых) при термической обработке не склонны к перегреву; нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Время выдержки устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует большего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились легированные карбиды в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливается в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и величиной критической скорости закалки. Практически это приводит к тому, что многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Легирующие элементы в стали влияют на устойчивость мартенсита при отпуске:

Рисунок 4 Зависимость прокаливаемости от содержания в стали легирующих элементов: 1 -- стали низкой прокаливаемости (углеродистые), 2 -- стали средней прокаливаемости (например, хромистые), 3 -- стали повышенной прокаливаемости (например, хромоникелевые), 4 -- стали высокой прокаливаемости (хромомарганцевокремниевые и другие сложнолегированные); закаленный слой заштрихован

Например, в инструментальных быстрорежущих сталях карбидообразующие элементы W, Mo, V, Сг способствуют образованию красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 560--600°С, тогда как мартенсит углеродистой стали начинает распадаться при 200--240° С, что снижает твердость стали. Высокая красностойкость -- весьма цен­ное свойство инструментальной стали. Инструмент в процессе резания нагревается, и, если сталь не красностойка, она теряет твердость и режущие свойства.

Кроме перечисленных особенностей, при отпуске легированной стали можно наблюдать явление отпускной хрупкости, т. е. понижение ударной вязкости, происходящее несмотря на уменьшение твердости. Причиной отпускной хрупкости является выделение хрупких фаз по границам зерен у таких широко распространенных сталей, как хромистые, хромоникелевые и др. Можно полностью избежать отпускной хрупкости, охлаждая такую сталь после отпуска не на воздухе, а в масле (крупные детали -- даже в воде), а также применяя хорошо раскисленную сталь или другие марки стали, содержащие молибден или вольфрам, препятствующие выделению хрупких фаз.

Отметим, наконец, еще одну важную особенность термической обработки легированной стали. При закалке большинства сталей часть зерен высоколегированного аустенита мартенситного превращения не претерпевает, и в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Так как аустенит имеет невысокую твердость (НВ 170 - 220), закаленная сталь обладает несколько меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значительного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском не удается добиться. Исследования, проведенные советскими учеными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до минус 65 --минус 70° С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1--2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоустойчивость изделий повышаются.

3. Общая классификация сталей

1. По качеству, то есть по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы:

сера,% фосфор,%

· обыкновенного качества (рядовые) менее 0,06 менее 0,07;

· качественные менее 0,04 менее 0,035;

· высококачественные менее 0,025 менее 0,025;

· особо высококачественные менее 0,015 менее 0,025.

2. По назначению стали бывают:

· Конструкционные (предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий);

· Инструментальные (Из них изготавливают режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода);

· С особыми физическими свойствами (например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар);

· С особыми химическими свойствами ( например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали).

3.) По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления делятся на:

· спокойные стали, т. е., полностью раскисленные (такие стали обозначаются буквами сп в конце марки);

· кипящие стали - слабо раскисленные (маркируются буквами кп);

· полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими (обозначаются буквами пс).

4.) Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

· сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора)

· сталь группы Б - по химическому составу

· сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом

Маркировка сталей.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква Г после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа А в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например:

Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

Качественные стали маркируют следующим образом -в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;

Например:

05кп - сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой У:

Например:

У7 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7%С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);

У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2%С;

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:

Таблица 1 Обозначения компонентов

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

Пример обозначения:

14Г2 - низколегированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.

03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особовысококачественные стали маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву Ш.

Например:

У8А - углеродистая инструментальная высококачественная сталь, содержащая 0,8% углерода;

30ХГС-III - особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8% до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами ШХ, после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:

ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой Р, следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама:

Р18 - быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама;

Р6М5К5 - быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобальта.

Автоматные стали обозначают буквой А и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента:

А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора);

А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.

4. Получение меди и ее сплавов

В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан CuFeS2. Обогащенный концентрат медных руд (содержащий 11 -- 35% Cu), сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн -- отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16--60 % Cu. Медные штейны переплавляют в медеплавильном конвертере с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1 -- 2 % примесей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содержание меди после рафинирования возрастает до 99,5--99,99 % (медь первичная -- технически чистая).

Чистая медь имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей маркеМ00б -- 0,01 %. а в марке МЗ -- 0.5%.

Механические свойства чистой отожженной меди: ув = 220--240 МПа, НВ 40--50, д = 45 - 50 %. Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов -- проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств.

Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью.

Различают три группы медных сплавов:

· Бронзы (это сплавы меди с оловом (4 - 33%Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30%Pb), алюминием (5-11%AL), кремнием (4-5%Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493-79,ГОСТ 613-79,ГОСТ 5017-74,ГОСТ 18175-78);

· Латуни (Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т. п. В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%. По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни (ГОСТ 17711-72) предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527-70) в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. Латуни поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Латуни широко применяют в общем и химическом машиностроении);

· Сплавы меди с никелем (Медноникелевые сплавы - это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы).

Размещено на Allbest.ru