Материаловедение

министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е.И. Марр

Методическое пособие

по изучению дисциплины «Материаловедение»

Для студентов заочной формы обучения

 

 

Разъяснение сложных вопросов курса в простой форме

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 620.18:669

ББК 34.62

Марр Е.И.

Методическое пособие по изучению дисциплины «Материаловедение» для студентов заочной формы обучения/ Марр Е.И. – Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2012. – 31 с.

УДК 620.18:669

ББК 34.62

  Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» ИФВТ «2» февраля 2012 г.

Разбор трудных для усвоения вопросов при изучении студентами учебного курса «Материаловедение».

Введение.

Многолетнее преподавание дисциплин о металлах, их применении, обработке и свойствах, привело к мысли, что определенные трудности связаны со сложностью ряда разделов курсов, а также с малым объемом отводимых на изучение часов! Часто разговаривая с инженерами разного профиля, которые в свое время изучали дисциплины о металлах и их обработке, приходится удивляться, как мало осталось в памяти от этих дисциплин. И это, отчасти, не зависит от их способностей, прилежания – причина кроется в краткости курсов и методике преподавания!

Но как такое возможно? Ведь любой инженер, в той или иной мере соприкасается с металлами и сплавами, так допустимо ли не знать их свойств, возможностей изменения в процессе эксплуатации или обработки? Если инженер недостаточно осведомлен в этом, или считает, что этим должен заниматься другой специалист, то он вряд ли сможет достаточно эффективно эксплуатировать машины и механизмы. При этом такой специалист не сможет наметить пути повышения надежности работы, долголетия, или работоспособности этих изделий!

Данное пособие не является учебным, оно не направлено на усвоение курсов по конкретным дисциплинам; оно должно помочь студентам понять закономерности процессов, происходящих в металлах и сплавах в тот или иной момент обработки и применения.

 

Единственное благо – это знания,

Единственное зло – это невежество!

Диоген

Металлы и их строение

Приведем пример. Углерод в природе существует в двух разновидностях: в виде алмаза и графита. Алмаз имеет очень сложную кристаллическую решетку, и… Наше первое открытие – если в кристаллических веществах различно расположение… Мы знаем, что кристаллы алмаза при соответствующей огранке «бриллиант» характеризуются изумительным блеском и…

Сравним твердость приведенных минералов по шкале Мооса: алмаз – 10; кварц (горный хрусталь) – 7; каменная соль – 2.

Наше третье открытие – если внешнее строение кристаллических элементов различно, то, следовательно, различны и свойства.

Различные минералы имеют весьма разнообразные и сложные типы решеток. Металлы же в основном имеют простые кристаллические решетки: кубическую… Диапазон свойств минералов (мы показали лишь одно свойство) бесконечно разнообразен, не менее разнообразны и свойства…

Отсюда наше предположение – введение иных элементов в расплавленный металл изменяет строение металла, и как результат – изменяются свойства этого металла!

И это мы рассмотрели влияние на железо одного углерода, а если мы добавим хром, никель, то Ваш нож не только не будет ржаветь, но и лезвие будет сохранять свою режущую способность очень долго. Но как «угадать»? Сколько надо добавить того или иного компонента? Это же не суп – попробовал, и добавил! Хотя, когда знают, сколько надо, пробуют – достаточно ли? И добавляют! Но об этом несколько позже.

Мы с Вами уяснили, что от строения вещества (металла) зависят различные свойства. Но как нам их получить – каждый раз гадать, что и сколько добавить? Оказывается, ученые-металлурги это выполнили за нас! Для лучшего понимания сложных процессов в металлах можно обратиться к процессам, происходящим с неметаллами в нашей обыденной жизни.

Следует отметить, что процесс при выплавке сплавов, т. е. когда мы намеренно вводим в сплав (для получения специальных свойств) металлы, такие как хром или никель, или неметаллы – углерод, происходят сложные процессы взаимодействия. Мы уже говорили, что подобие этих процессов можно рассмотреть на знакомых нам примерах!

В быту мы с Вами очень часто пользуемся растворами. Мы любим пельмени с уксусом, кто более крепкий, а кто слабее! И часто при этом, по случаю пельменей, принимаем раствор спирта в воде. И уксус, и спирт растворяются в воде в любом соотношении, т. е. они неограниченно растворяются. Как ни странно, ряд металлов может при сплавлении образовывать неограниченные твердые растворы, т. е. они не только в расплавленном состоянии растворены друг в друге и составляют единое целое, но и в твердом состоянии их нельзя отделить друг от друга! Это возможно тогда, когда у этих металлов подобные кристаллические решетки, они близко расположены в Периодической системе и многое другое.

Рис. 2

На рис. 2 представлены виды твердых растворов. Это могут быть растворы замещения (а, б); подобным образом образуются и неограниченные твердые растворы. Способ распределения атомов на рис. 2, в – внедрение, такой раствор всегда ограниченный. Примеров таких растворов в обыденной жизни много. В качестве таких растворов можно привести: раствор соли или сахара в воде. Эти вещества до определенного содержания растворяются в воде, а далее не растворяются.

Подобные растворы образуются между металлами и неметаллами, так как атом неметалла по сравнению с металлом очень мал, и заместить атом металла без сильного искажения решетки не может. Искажения сильно изменяют энергетическое состояние системы и свойства сплава.

Мы часто пользуемся средствами, которые при употреблении необходимо взбалтывать – это лекарственные препараты, различные эмульсии, известковый раствор. Почему? А потому, что эти вещества не образуют растворов. Они представляют собой смеси растворителя и растворяемого вещества. Всем известен известковый раствор, при побелке его надо постоянно взбалтывать, в противном случае известь (CaCO₃) выпадет в осадок, а вверху останется чистейшая вода. Так же и различные эмульсии.

Так и металлы, отличающиеся типом решетки, размерами атомов, температурой плавления не могут на атомном уровне образовывать единую кристаллическую решетку (твердый раствор). Такие металлы образуют механические смеси. В этом случае в твердом состоянии структура будет представлена двумя типами кристаллов, находящихся в межатомном взаимодействии.

Такие сплавы получили широкое распространение при производстве подшипников скольжения, это так называемые баббиты на оловянной или свинцовой основе.

Рассмотрим следующий тип взаимодействия между компонентами, образующими сплавы. Пользуясь тем же принципом, что и ранее, попробуем разобрать подобное взаимодействие на понятной нам системе. Когда я пришел на первый урок по химии, я не имел ни малейшего представления об этой дисциплине. Время было военное, и мы были скорее уличными мальчишками, нежели интеллектуалами! Не знаю, по какой причине, но учительница начала урок со следующего примера: «Берем газ кислород, который поддерживает горение, и газ водород, который горюч. Поджигаем и получаем воду в результате химической реакции!» Не знаю как на кого, а на меня эти слова произвели неизгладимое впечатление! Совершенно разные агрегатные состояния – газы и вода. Газы, один горит, а другой поддерживает горение! Вода же – только гасит пламя! Так я узнал, что такое химическое взаимодействие!

Элементы, образующие сплавы, могут так же вступать в химическое взаимодействие (но, конечно, без взрыва!), и образовывать химическое соединение.

Наиболее показательным примером может являтся химическое соединение цементит, образующееся при сплавлении железа с углеродом (графит). Железо имеет твердость 70-80 НВ, графит очень мягок (мажет руки), а их химическое соединение цементит имеет твердость > 800 НВ. Поэтому белые чугуны, содержащие много углерода, который образует цементит, имеют очень высокую твердость.

Зимой дворники посыпают лед солью (NaCl), и мы видим, что даже при порядочном морозе лед тает. Казалось бы, почему так? Представленный рядом график (рис. 3) показывает, что соль со льдом образует раствор, и лед плавится. При этом образуется раствор соли в воде; чем больше процент соли, тем при более низкой температуре образуется раствор. Отсюда также видно, что при 25 % NaCl и при –21 °С образуется смесь соли и раствора соли в воде – эвтектика. А далее соль не растворяется. При увеличении содержания соли температура раствора и кристаллов будет повышаться. Также видно, что при температуре –30 °С никакая соль не поможет растопить лед! Ниже горизонтальной линии, проходящей через точку E (линия кристаллизации эвтектики), будет только лёд!

Металлических сплавов многие тысячи, и каждый характеризуется набором определенных свойств и, конечно, имеет свое назначение. Самый простой способ выбора сплава – это обратиться к справочнику! Однако может случиться так, что ни один из предложенных сплавов не удовлетворяет Вашим требованиям, и тогда придется создавать тот или иной сплав экспериментально. Этот способ малопроизводительный и не всегда приводит к желаемым результатам. Зная, какие Вам нужны свойства, с помощью диаграмм состояния системы сплавов, можно гораздо быстрее получить желаемый результат.

Итак, мы с Вами установили, что при образовании сплавов элементы могут образовывать: твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью, механические смеси и химические соединения.

Мы с Вами познакомились с графиком изменения температуры льда в зависимости от концентрации соли в этой смеси. Если бы мы захотели эту зависимость представить в виде таблицы, то она была бы бесконечно длинной и малопонятной!

Рассмотрим диаграммы состояния систем сплавов, состоящих из двух компонентов

Точка 100 % на оси концентраций соответствует только одному «В» и 0 % «А». Из этой точки проводится ось температур для элемента «В» с его… На рис. 4 представлены разновидности диаграмм состояния для сплавов с…  

С какой целью приведены эти диаграммы состояния, которые Вы изучаете в курсе материаловедения? Единственная цель: запомнить виды диаграмм состояния для каждого типа взаимодействия. Если Вы их запомните, то в любой сложной диаграмме разберетесь легко!

Все типы диаграмм взаимодействия компонентов, при образовании сплавов, характеризуются особой формой их изображения. Диаграмма, у которой область перехода из твердого состояния в жидкое, или наоборот, имеет линзообразную форму,–это диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Для сплавов, образующих механическую смесь, характерной является диаграмма на рис. 5, б: она всегда содержит эвтектическую точку «Е».

Для сплавов, образующих химическое соединение, на оси концентраций имеется точка, соответствующая этому соединению, и из нее восстанавливается температурная ось с критическими точками для этого соединения. В свою очередь, химическое соединение может вступать с элементами, его образовавшими, в новое взаимодействие. Из рис. 6 видим, что химическое соединение с элементами «А» и «В» образует механические смеси.

Диаграмма с ограниченной растворимостью как бы состоит из двух частей, из незавершенных линзоподобных областей образования ограниченных твердых растворов (α, β, δ, γ) и области механической смеси из твердых растворов.

Любая диаграмма, сколь сложной бы она ни была, всегда состоит из комбинации этих элементов! И ее легко разобрать. Следует помнить, что выше самой верхней линии на диаграмме любой сплав находится в жидком состоянии, и эту область обозначают обычно буквой «L».

Не надо запоминать, какие фазы или структурные составляющие присутствуют в той или иной области диаграммы, для этого существует «правило рычага» или «правило отрезков»! Мы воспользуемся лишь его положениями.

Но прежде надо восстановить в памяти то, что чистые металлы (без примесей) плавятся и кристаллизуются, т. е. затвердевают, при постоянной температуре,а все сплавы (независимо от состава) – в интервале температур,исключение составляет эвтектическая смесь, она плавится и затвердевает при постоянной температуре! Следовательно, на диаграмме для сплавов существует температурная область перехода из одного состояния в другое, а для эвтектики– точка (на всех приведенных диаграммах она обозначена «Е»). Следует дать определение, что такое эвтектика. Эвтектика, для всех видов соединений (диаграммы сплавов образующие механические смеси, ограниченные твердые растворы, химические соединения, которые взаимодействуя с элементами его создавшими, образуют механическую смесь) представляет собой очень мелкие, чередующиеся кристаллики фаз, кристаллизующихся одновременно. Этими фазами могут быть: металлы, твердые растворы и химические соединения. Чтобы узнать, из каких фаз состоит эвтектика – смотрите далее.

И еще одно замечание – при увеличении температуры, как в твердом, так и в жидком состоянии, растворимость элементов в металле-растворителе возрастает!

Рассмотрим правило отрезков применительно к диаграмме компонентов, образующих механическую смесь (рис. 5, б).

Рассмотрим это правило на примере сплава состава точки «G» (на оси состава). Будем изучать состояние данного сплава в процессе нагрева. Но что произойдет в точке «F» при нагреве? Для этого продлим вертикальную линию, т. е. повысим температуру, и попробуем определить, в каком состоянии будет находиться сплав выше точки «F». Для этого выберем любую точку для этого сплава при температуре большей, чем точки «F» – положим, «D», и проведем горизонталь до линий, ограничивающих данную область. Правый конец покажет, что в данной области присутствуют кристаллы элемента «В», а левый пересечет линию, выше которой сплав находится в жидком состоянии, т. е. «L». Следовательно, в точке «D» присутствует жидкий расплав «L» и кристаллы «В». Отсюда ясно, что в точке «F» начнется плавление сплава, так как в области, лежащей выше, находятся кристаллы «В» + «L» (жидкость).

Легко определять с помощью правила отрезков состав эвтектики на любой диаграмме состояния: концы горизонтали, проходящей через точку эвтектики «Е», покажут ее состав (для сплавов на рис. 5, эвтектика состоит из кристаллов «А» и «В»)!

Это правило отрезков применимо для разбора любой, самой сложной диаграммы, и мы с Вами убедимся в этом позже!

Еще одно небольшое добавление! Вы когда-нибудь задумывались, почему в историческом развитии мира существовал так называемый «бронзовый период»? Почему не медный?Ответ очень прост. Медь плавится при высокой температуре, а сплав меди с оловом – при более низкой температуре. Медь, железо и другие металлы требовали для расплавления гораздо более высоких температур, недостижимых в тех условиях. Кроме того, бронза более твердая, а это немаловажное качество!

Отсюда важное замечание! Сплавы имеют более низкую температуру плавления, чем металлы, на основе которых они выплавлены!

Влияние различных факторов

На строение и свойства металлов и сплавов

На схеме (рис. 8) показано перемещение дислокации в кристалле. Перемещение одной дислокации вызывает смещение кристалла на одно межатомное…  

Способы упрочнения металлов и сплавов

Другим способом упрочнения металлов является легирование. Мы уже упоминали о бронзовых изделиях, в давние времена они с успехом использовались для…

Наше открытие – сплавы весьма существенно отличаются свойствами от металлов, их образующих, и всегда плавятся при более низких температурах! И это широко используется!

Мы ранее говорили, что если в металлах и сплавах не произошло изменений в микроструктуре, то не будет и изменения свойств! А если свойства при получении сплавов изменяются, следовательно, произошли изменения в структуре!

Об этом надо всегда помнить! Встает вопрос, какие могут происходить в структуре сплавов изменения, которые изменяют свойства?

Кроме огромного количества дислокаций, которые называют линейными дефектами кристаллической решетки, в металлах содержится большое количество точечных дефектов. И еще металлы могут содержать различного вида включения технологического рода: шлаковые включения, поры и т. д.

На рис. 9 и 10 представлены виды нарушений кристаллической решетки различного типа. На рис. 9 мы видим, в одном случае, отсутствие атома и это искажает кристаллографические плоскости. На следующем рисунке лишний, внедренный атом того же металла действует так же, но только в другом направлении.

Рис. 9. Вакансия (а), Рис. 10. Внедрение

межузельный атом (б)

 

На рис. 10 показаны твердые растворы с большими или меньшими по размеру инородными атомами, которые также искажают решетку.

Эти нарушения порядка в кристаллах вызывают дополнительные напряжения, и если учесть, что число разных дефектов, включая дислокации, в металлах составляет огромную величину, то нетрудно понять, почему сплавы менее пластичны и более прочны. Так как при деформации сплава перемещающейся дислокации нужно преодолеть множество барьеров!

Надо еще отметить, что реальные металлы и сплавы являются не монокристаллами, а поликристаллами, т. е. состоят из множества различно ориентированных в пространстве кристаллов (зерен), стремящихся к правильной форме. Перемещающаяся дислокация, при деформации в одном зерне, не может переместиться в другое зерно с иной ориентацией, но она создает на границе зерна напряжения, которые вызывают появление новой дислокации в соседнем зерне и ее движение. Такой процесс связан с затратой энергии и оказывает сопротивление процессу пластической деформации.

Следовательно, чем мельче зерно в металле или сплаве, тем выше прочность и ударная вязкость!

Наше новое открытие – получение различными способами мелкого и супермелкого зерна, способствует упрочнению металлов! Это достигается термической обработкой, пластической деформацией и комбинированными способами обработки.

Термическая обработка металлов и сплавов

Прежде всего, нужно вспомнить, что когда мы говорили об ограниченных твердых растворах, то отмечали, что для ряда компонентов растворимость в… Но мы также с Вами говорили, что с повышением температуры растворимость… Ранее мы также отмечали, что многие металлы при нагревании в твердом состоянии могут изменять тип своей решетки. В…

Отпуск закаленных сталей

Когда мы разбирали процессы распада пересыщенного раствора в сплаве дуралюмин, то установили, что они идут даже при комнатных температурах. Это… В зависимости от температуры нагрева происходят следующие процессы. Уже при… Второй интервал превращений при отпуске закаленной стали можно выделить следующий 200-300 °С. Это температуры…

Процессы, протекающие при распаде мартенсита при нагреве (отпуск), подобны процессам при старении дуралюмина. При постоянном объеме выделяющейся фазы, величина выделяющихся частиц влияет на прочность и твердость сплава. Чем мельче выделяющиеся частицы, тем больше плоскостей скольжения дислокаций блокируется, тем выше твердость и прочность. При росте выделяющихся частиц с повышением температуры становится меньше заблокированных плоскостей скольжения дислокаций, пластичность повышается, прочность снижается, и чем крупнее частицы, тем больше это влияние!

Инженеру надо помнить, что качественное изделие можно получить лишь при правильно проведенной термической обработке – закалке и отпуске! Возможно такое, что твердость после закалки удовлетворяет, но и в этом случае обязательно нужен отпуск для снятия напряжений, возникнувших при закалке.

 

Е.И. Марр, доцент, к.т.н.