Материаловедение
Материаловедение
I аттестация:
Предмет и задачи материаловедения? Ученые и их вклад в материаловедение. Классификация металлов. Физические, механические и технологические свойства металлов и сплавов.
Материаловедение – наука о взаимосвязи м/у составом, строением, свойствами. Все металлы обладают свойствами: химические, физические, механические.
Механические:
-прочность
-пластичность
-ударная вязкость
Технологические св-ва:
- обработка металла резанием,
-литье,
-сварка
-обработка металл давлением.
Чугун – сплав железа и углерода, где углерода свыше 2,14% (Fe3C)
Стали – сплав железа и углерода, где углерода менее 2,14%
Чугуны изготавливают методом плавления в доменной печи из железной руды (красный железняк: Fe=55-60%; бурый железняк: Fe=30-50%) + флюсы (известь), + топливо (кокс).
Примеси :вредные - серы, фосфор, газы; полезные – Si, Mn, кремний.
Цветные:
- благородные
- тугоплавкие,
- легкоплавкие (Al, Cu)
Основоположником металловедения является Д.Чернов.
Методы исследования металлов:
- макроанализ (лупа в 50 раз)
- микроанализ (микроскоп, увеличение в 1000-3000 раз)
- полировка
- травление
- ренгено-структурный метод или анализ
- магнитный
- испытание на механические свойства.
Строение металлов? Атомно- кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия металлов. Кристаллизация металлов, строение кристаллов. Строение металлического слитка. Полиморфные превращения.
Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, т.е. атомы расположенных в металле в правильном геометрическом порядке в виде кристаллических решеток. Всего 14 решеток.
Виды кристаллических решеток:
- ОЦК – кубическая решетка (W, V, Na и т.д.)
- ГЦК - границентрированная кубическая решетка (Cu, Nt, Ag, Co и т.д.)
- ГПУ – гексогонально-плотноупакованная (Mg, Zn, Be)
Каждая из решеток характеризуется параметрами:
- коордиальное число (К)
- плотность
- период
Кристаллизация – переход из жидкого или газообразного состояния в твердое.
Процесс кристаллизации происходит в времени и зависит от t0, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах t0 времени.
Условия кристаллизации: 
и 
 |
Температура кристаллизации: , где ∆Т0 – степень переохлаждения, Т0 - равновесная температура; Ткр - фактическая температура кристаллизации.
Если охлаждение происходит со скоростью V1 (медленное охлаждение), то получаем металл крупнозернистый – механические свойства низкие.
Если охлаждение происходит со скоростью V2 (быстрое охлаждение), то получаем металл мелкозернистый – механические свойства высокие.
Чтобы получить мелкое зерно можно воздействовать ультразвуком и модифицировать.
Процесс кристаллизации состоит из 2х стадий:
- зарождение зародышей или центров кристаллизации
- рост кристаллов из центра
Зоны слитка:
- зона мелких кристаллов (хорошая зона)
- зона дендридных (столбчатых) кристаллов
- зона равновесных кристаллов
При застывании металл уменьшается в объеме. Вверху в центре слитка образуется раковина, под ней пористая масса и не металлические включения.
Раковина – пористая часть + не металлические включения – это дефектная часть слитка. Она отрезается и составляет 15-20%.
Величина и форма кристаллов зависит от:
- степени переохлаждения
- направления отвода тепла
- наличие готовых центров кристаллов
Дефекты кристаллического строения:
I.Точечные:
- вакансии
- примесные атомы
- межузельные атомы
II.Линейные:
- винтовые
- кроевые
III.Поверхностные:
- границы зерен
- границы суб-зерен
IV.Объемные:
- поры
- трещины
- не металлические включения.
Полиморфизм (эллотропия) – способность некоторых металлов (Fe, титан, олово, цирконий) менять кристаллическую решетку в зависимости от t0.
Обозначения: β,ɤ,α
Температуры Кюри
Пластическая деформация? Напряжение и деформация. Упругая и пластическая деформации. Механизмы пластической деформации, ее влияние на структуру металлов: Наклеп. Поверхностное упрочнение наклепом. Механические свойства материалов: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость. Хладноломкость стали.
Механические свойства – способность металл сопротивляться воздействию внешних сил.
Виды:
- прочность - твердость
- ударная вязкость - упругость
- пластичность - выносливость
Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при этом металл подвергают воздействию внешних сил.
Виды внешних сил:
- статические
- динамические
- циклические
Нагрузка вызывает в теле напряжение: 
Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних сил
Виды деформации:
- упругая
- пластическая
Материал подвергается одному или нескольким видам деформации:
- растяжение
- сжатие
- кручение
- изгиб
Для определения прочности, упругости, пластичности металла в виде образов цилиндрической и тонкой формы испытывают на статическом растяжении (испытания на разрывных машинах).
В результате испытаний, получают диаграмму растяжения:
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению.
- предел текучести: 
- предел прочности: 
и 
(до испытания)
Пластичность – способность материала менять форму не разрушаясь:
- относительное удлинение: 
-относительное сужение: 
Ударная вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам.
Определяется на установках маятниковых копрах. Для этого берут образцы, бруски квадратной формы, с нагрузкой (55х10х100мм) – UVT – образные.
KC – ударная вязкость
KCU – вид надреза
V
T
, где А – работа, F0 – площадь сечении образца
Твердость –способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого предмета.
Высокой твердостью обладают режущие инструменты: резцы, сверла, поверхностно- упрочненные детали.
Методы определения твердости:
- метод Бринелля
- метод Роквелла HR ABC
- метод Виккерса HV
HB-80 ABC – глубина
Хладноломкость стали: переход от вязкого разрушения к хрупкому при минусовой температурой.
Излом хрупкий имеет светлый блестящий кристаллический цвет.
Вязкий излом имеет матовый волокнистый цвет.
Бывает разрушение или развитие трещин:
-транскристаллитное
-интеркристаллитное – по границам зерен.
II аттестация.
 |
Диаграмма железо – цементит? Компоненты, фазы и структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристики и условия образования и свойства. Диаграмма состояния систем железо – цементит. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Классификация сталей. Чугуны. Влияние охлаждения и химического состава на структуру и свойства чугуна. Маркировка сталей и чугунов. Цветные сплавы.
Компоненты диаграммы:
I.Железо- металл II.Углерод – не металл
- ОЦК - графит
- ГЦК - алмаз
Структурные составляющие системы:
А – аустенит (твердый раствор углерода в γ-железе с ограниченной растворимостью)
Ф – феррит (твердый раствор углерода в α-железе с ограниченной растворимостью)
Ц – цементит (химическое соединение железа с углеродом)
П – перлит (механическая смесь феррита и цементита)
Л – ледебурит (механическая смесь перлита и цементита при 18…200С)
Все чистые металлы имеют одну температуру плавления, а сплавы 2-ве температуры плавления:
- начало кристаллизации
- конец
АСД – линия начала кристалл «Ликвидус» - низкий
АЕСF – «Солидус» - конец кристаллизации
Чугуны
Fe3C – белый чугун
Их выплавляют в доменных печах из железной руды, кокса, флюсов (известь).
Fe3C делится на:
- доэфтектический – (углерода от 2,14-4,3%)
- эвтектический – (углерода 4,3%)
- заэфтектический - (углерода от 4,3-6,67%)
В белых чугунах находится за счет составляющих ледебурита и цементита, обладают высокой твердостью, но хрупкостью.
Детали практически не изготавливаются, маркировка не существует.
Fe3C частично остается в чугунах
Ферритом – 0,008%
Перлитом – не более 0,08%
Вредные примеси в сталях
1.Вредные: - S – не более 0,05% - P – 0,08%Влияние легирующих сталей на их качество
Cr – свыше 12% - коррозиционная сталь Mn – до 2%, растворяется в феррите, упрочняет его, повышает прочность, снижает… Mn – до 14%, гатфэильда 110Г13Л (сталь для литья) в специальных сталях.Цветные сплавы
I.Чистый Al:A97 – 99, 97% Al; A95 – 99, 95% Al Применяются Al сплава в машиностроении:III аттестация.
Термическая обработка стали? Отжиг стали. Закалка стали, выбор температуры. Закалочные среды. Методы закалки. Отпуск стали, виды и назначения отпуска. Влияние закалки и отпуска на механические свойства стали.
Конструкционные стали? Маркировка сталей, виды и классификация. Инструментальные, шарикоподшипниковые стали. Стали из режущего, измерительного инструмента.
Термическая обработка– нагрев стали до определенной температуры, выдержки, охлаждения изделий с различной скоростью (в различной среде), с целью изменения структуры и свойство в заданном направлении.
В основу термообработки положено полиморфизм железа.
На основе твердых металлов:
-Feα
-Feɤ
В ТО присутствуют 3 критические точки:
I.Нижняя: АС1 – PSK
II.Верхняя: АС3 – GS
AСТ – SE
Виды ТО:
I.Отжиг:
а) отжиг I-го рода
- диффузионный
- рекристаллизация
б) отжиг II-го порядка:
- полный
- неполный
- нормализация
II.Закалка
- полная
- неполная
III.Отпуск
- низкий
- средний
- высокий
Диффузионный отжиг – нагрев до температуры (1100-12000С) или ниже линии «солидус» на 100-1500С, выдержка с медленным охлаждением.
Для крупных стальных отливок, для устранения химической неоднородности в дендритных кристаллах.
Сталь 35 (Л) – литье
Рекристаллизационный отжиг– нагрев выше температуры рекристаллизации 650-7000С. Применяют для снятия наклепа.
Трекр=0,6×Тспл (выдержка и медленное охлаждение)
Среди деформируемых зерен появляются центры кристаллизации, вокруг них строиться заново кристаллизация решетки структуры самовосстанавливающиеся.
Наклеп – это упрочнение Mt в процессе холодной пластической деформации (при прокатке, волочении, штамповке).Mt приобретает высокую прочность и твердость.
Полный отжиг – нагрев выше линии GSK (AC3, AC1) на 30-500, выдержка и охлаждение в печи.
Повышается пластичность, вязкость и снижается твердость и прочность, измельчение зерен, убираются внутреннее напряжение.
Неполный отжиг –нагрев выше линии PSK (AC1) на 30-500 и охлаждение в печи, убираются внутреннее напряжение, образуется зернистый перлит, улучшается обрабатываемость резанием.
Нормализация – нагрев выше линии GSE (AC3, AСТ) на 30-500, выдержка и охлаждение на воздухе.
Получаем полную фазовую перекристаллизацию стали, устраняем крупнозернистую структуру, которую получили при литье, ковки или штамповки. «Н» – снижает твердость, прочность.
Закалка
Полная закалка – применяется в доэффтектоидных сталях.
Неполная закалка – применяется в заэффтектоидных сталях.
Закалки – нагрев выше линии GSK на 30-500С, охлаждение углеродистых сталей в холодной среде – структура мартенситная, легированные стали – охлаждаем в минеральной массе. – структура троасти.
Мартенсит – перенасыщенный твердый раствор углерода Feα с искаженной кристаллической решеткой.
Цель закалки: повышение твердости, прочности, снижение вязкости, пластичности.
Охлаждение в воде 400-14000С
Легированные стали – 10-1500С
Отпуск
Отпуск –всегда делают после закалки.
I.Низкий отпуск – нагрев до температуры 150-2500С, выдержки 2,5 часа на воздухе.
Получаем структуру: мартенсит отпуска.
Применяется: для режущего и измерительного инструмента, для штамповочных сталей и цементируемых изделий.
От материала требуется максимальная твердость с удовлетворительной вязкостью.
II.Средний отпуск – нагрев до температуры 350-5000С, выдержка, охлаждение в воде.
Структура: троастит отпуска.
Применяется: для рессор, пружин, штампованных сталей.
Получаем: усредненные механические свойства.
III.Высокий отпуск – нагрев от 500-6800С, выдержка, охлаждение.
Структура: сарбит
Применяется: для среднеуглеродистых сталей от 0,3-0,5% углерода, для деталей, которые испытывают динамические и циклические нагрузки.
Получаем: максимальную вязкость с удовлетворительной твердостью.
Закалка с высоким отпуском – улучшение стали.
Стали малоуглеродистые до 0,3% - закалке не подвергаются.
Диффекты термообработки
- недогрев – исправляется отжигом.
- перегрев – исправляется отжигом
- пережег – образуется окалина, брак не исправим – на переплавку
Химико-термическая обработка
ХТО – это процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры, свойства.
Цель: для повышения твердости поверхности стали, износостойкости, коррозионной стойкости, кислоустойчивости.
ХТО состоит из процессов:
I.диссоциация – получение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии.
II.адсорбция – активных атомов с образованием связи м/у ионами насыщенного элемента и основной Mt.
III.диффузия адсорбционных атомов в глубь Mt образованием диффузионного слоя.