Тема 1.3. Строение металлических сплавов - раздел Менеджмент, Институт системного анализа, автоматики и управления В Конце Предыдущей Темы Отмечалось, Что Создание Сплавов – Наиболее Об...
В конце предыдущей темы отмечалось, что создание сплавов – наиболее общий путь повышения прочности металлических материалов. Этот метод (сплавления) позволяет получить также более широкий диапазон особых полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, тепло – и износостойкость и др.).
Сплавы – это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.
Структура и свойства сплава определяются в первую очередь природой (типом) фаз, образующихся при сплавлении компонентов.
Фаза– однородная по химическому составу, типу решетки и свойствам часть сплава, отделенная от других частей границей раздела.
В зависимости от характера физико–химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах возможны триосновныхтипа твердых(кристаллических)фаз:
1) химические элементы,
2)химические соединения,
3)твердые растворы.
Основной (матричной) фазой большинства промышленных сплавов являются твердые растворы, поэтому рассмотрим их более подробно.
Твердые растворы – это фазы, в которых атомы одного компонента В размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента А – «растворителя». По мере увеличения числа атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления), т.е. это фазы переменного состава (в отличие от химических элементов и химических соединений).
Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом с решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.
По способу размещения атомов растворенного вещества (
В) в решетке
А различают два основных типа твердых растворов –
растворы замещения и внедрения (рис. 1.3.1)
Рис. 1.3.1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)
Видно, что при образовании твердых растворов замещения атомы В располагаются в вакансиях решетки компонента А (см. рис. 1.2.5). При этом количество атомов В в решетке А может изменяться в широких пределах (при определенных условиях возможна даже неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии).
В случае твердых растворов внедрения атомы В располагаются в междоузлиях решетки А. Понятно, что это возможно, если размеры атомов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют с металлами элементы, имеющие наименьший атомный радиус (H, B, C, N). Такие растворы всегда имеют ограниченную растворимость.
Очевидно, что растворенные атомы (В) являются точечными дефектами, вызывающими искажение решетки А (см. рис. 1.2.6), поэтому образование сплавов – твердых растворов должно приводить к повышению прочности исходных компонентов (см. параграфы 1.2.2 и 1.2.3).
Химические соединения обычно имеют фиксированный состав, отвечающий формуле АnВm , где n и m – простые числа, причем тип решетки соединения Аn Вm отличается от решетки исходных компонентов.
В железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах), которые обсуждаются в последующих темах, наиболее важны соединения металлов (например, железа) с углеродом – карбиды.
Независимо от природы химические соединения в металлических сплавах, как правило, обладают высокой твердостью и хрупкостью (т.е. малопластичны); твердые растворы, напротив, имеют хорошую пластичность (и вязкость), но невысокую прочность и твердость.
Поэтому оптимальному сочетанию свойств конструкционных металлических сплавов (высоким значения прочности и ударной вязкости) соответствует структура, в которой дисперсные (» 10 нм) частицы твердых химических соединений равномерно и достаточно плотно (на расстояниях » 20…40 нм) распределены в пластичной матричной фазе – твердом растворе.
Исходя из этого можно сказать, что свойства сплавов зависят в первую очередь от природы и относительных количеств присутствующих фаз, но также и от формы, размеров, взаимного расположения кристаллов этих фаз, т.е. от конкретной структуры сплава. Например, если частицы химических соединений расположены в виде сетки в твердом растворе, эксплуатационная надежность такого материала будет понижена из-за возможности облегченного разрушения по хрупким оболочкам (химических соединений), разобщающим зерна твердого раствора.
Итак, свойства сплавов(данного химического состава)определяются их структурой. Чтобы прогнозировать свойства какого-либо сплава, нужно знать его структуру.
Структуру сплавов различного химического состава можно установить путем анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия или диаграмм состояния.[5]
Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного химического состава при данной температуре. То есть диаграммы состояния строятся в координатах «температура–химический состав сплавов системы А–В».
Линии диаграмм состояния – это линии фазовых превращений («критические линии»), при пересечении которых фазовый состав (структура) сплавов обязательно изменяется.
Умение анализировать диаграммы состояния является важной частью освоения курса материаловедения. К сожалению, из-за ограниченности объема «Опорного конспекта» нет возможности посвятить этому вопросу отдельную тему, но рекомендуется самостоятельно проработать соответствующую тему (см. [1…4, 8]). Это облегчит усвоение материала последующих тем, посвященных структуре и свойствам конкретных промышленных сплавов.
Внимание!
Тема 1.3 – небольшая по объему и достаточно простая для восприятия, однако она содержит ряд новых понятий, для усвоения которых требуются определенные усилия, поэтому…
Все темы данного раздела:
Институт системного анализа, автоматики и управления
220301.65 - автоматизация технологических процессов и производств
Направления подготовки бакалавра и магистра: 080500.62, 140100.62, 140200.62, 140600.62, 151000.62, 200100.62, 200500.62,
Информация о дисциплине
1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ
Материаловедение – наука, изучающая связь между химическим составом, структурой и свойствами материалов и закономерности изменения этих свойств под влиянием внешних воздей
Объем дисциплины и виды учебной работы
Код и название дисциплины
Шифр дисциплины
Специальности
Форма обучения
Вид учебной работы
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
(Объем дисциплины 120 часов)
ВВЕДЕНИЕ (2 часа)
[1], с. 3...6, или [2], с. 4...5; [3], с. 13...20; [4], с. 9...32
Содержание и задачи курса. Его место в подготовке инженер
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ
ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ(4 часа)
[1], с. 68...73, или [2], с. 122...140; [3], с. 60...68; [4], с. 35...62, 76...87
Упругая и пластическая де
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
(8 часов)
[1], с. 37...65, или [2], с. 87...99, 47...54; [3], с. 168...190; [4], с. 88...140
Понятия о системе, компоненте, фазе. Механические смеси. Химические соединения в сплав
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОНСТРУКЦИОННАЯ
ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ(4 часа)
[1], с. 75...80, 87...117, или [2], с. 47...60, 222...236; [3], с. 69...143;
[4], с. 70...75
Понятие конструкционной
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ(6 часов)
[1], с. 349...366 или [2], с. 608...629; [3], с. 320...336; [4], с. 355...382
Классификация инструментальных сталей по назначению. Стали д
СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ(8 часов)
[1], с. 290...312, 367...376 или [2], с. 326...348, 470...607;
[3], с. 336...447; [4], с. 382...434, 453...477
О
Студентов очной формы обучения
№
п/п
Наименование
темы
рабочей программы
№ ЛР
151001.65 Кол-во часов по дневной форме обучения
Виды занятий
Студентов очно-заочной формы обучения
№
п/п
Наименование
темы
рабочей программы
№ ЛР
151001.65 Кол-во часов по дневной форме обучения
Виды занятий
Тематический план дисциплины для
студентов заочной формы обучения
№
п/п
Наименование
темы
рабочей программы
№ ЛР
151001.6
Рейтинговая система оценки знаний
Курс дисциплины «Материаловедение» содержит 21 тему в 5 разделах, при изучении которых следует выполнить 4…8 лабораторных работ в зависимости от специальности и формы обучения. После изучения каждо
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной:
1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение /Ю.М. Лахтин, В.П Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990.
2. Материаловедение /под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М
И принципы их определения
Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае - механические) – наиболее интересующая потребителя часть информации о материале (наряду, конечно, со стоимостью).
Механиче
Вопросы для самопроверки к теме 1.1
1. Что такое химический состав материала?
2. Что входит в понятие структуры (микроструктуры) материалов?
3. Какие свойства наиболее важны для конструкционных материалов? Почему?
Промежуточные тесты к теме 1.1
I. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению?
1. Твердость.
2. Предел прочности.
3. Относ
Дефекты кристаллической решетки
(реальное строение кристаллов)
В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефекта
Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.
1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке ) передвигаться вдоль плоскости скольже
Пути повышения прочности металлов
В этой теме рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.
В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопр
Вопросы для самопроверки к теме 1.2
1. В чем особенность кристаллического строения?
2. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?
3. Что такое период решетки; какова его примерная величина?
Промежуточные тесты к теме 1.2
I. Каков наиболее вероятный порядок величины периода (параметра) кристаллической решетки?
1. 10-1 см.
2. 10-6 см.
3. 10-8 см.
4.
Вопросы для самопроверки к теме 1.3
1. Дайте определение понятий «сплав», «компонент», «фаза». Может ли двухкомпонентный сплав быть однофазным?
2. Какое слово является ключевым в определении понятия «фаза»?
3. Переч
Промежуточные тесты к теме 1.3
I. Какая из перечисленных характеристик не входит в определение понятия «фаза»?
1. Тип решетки.
2. Свойства.
3. Размер зерна.
4. Граница раздела
И свойства железоуглеродистых сплавов
Можно считать (конечно, с некоторым преувеличением), что рассмотренные в предыдущих темах «Опорного конспекта» темы составляют основу материаловедения. Ниже знание этих основ будет использовано для
Тема 2.1. Стали и чугуны (влияние химического состава на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов)
2.1.1. Диаграмма состояния «железо–цементит». Формирование равновесной структуры углеродистых сталей
При сплавлении железа с углеродом (С) образуетсякарбид желе
В процессе кристаллизации
Из диаграммы Fe–Ц (см. рис. 2.1.1) следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру (А).
Видно
Железоуглеродистых сплавов от содержания углерода
Из диаграммы Fe–Ц (рис. 2.1.1) следует, что структуры практически всех (>0,01 %С) сплавов при нормальных температурах формируются из двух фаз – феррита (Ф) и цементита (Ц). Механические с
Структура и свойства чугунов
Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются
Вопросы для самопроверки к теме 2.1
1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным
Промежуточные тесты к теме 2.1
I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?
1. 6,67.
2. 0,8.
3. 2,14.
4. 1,2.
5. 4,3.
II. Укажите все
При закалке и отпуске на свойства стали)
В предыдущей теме 2.1 был сделан важный вывод о том, что механические свойства углеродистых сталей определяются количеством содержащегося в них углерода.
Свойства стали с данным
Закалка ( превращения в стали при охлаждении)
Закалка – это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение со скоростью V ³ Vкр (Vкр – «критичес
Отпуск (превращения в закаленной стали при нагреве)
Мартенсит, получаемый в результате закалки неравновесная, неустойчивая структура, поэтому он может длительно сохраняться лишь при достаточно низких температурах (≤ 100…150 оС), где
Вопросы для самопроверки к теме 2.2
1. Из каких этапов состоит упрочняющая термическая обработка сталей?
2. Что такое закалка сталей? Какова ее цель?
3. Нарисуйте диаграмму изотермического превращения переохлажденно
Промежуточные тесты к теме 2.2
I. Какая обработка стальных изделий называется «улучшением»?
1. Закалка.
2. Закалка + низкий отпуск.
3. Высокий отпуск.
4. Закалка + высокий отпуск.
5.
И свойства сталей
В предыдущих темах 2.1 и 2.2 изучались структура и свойства углеродистых сталей, в составе которых помимо железа и углерода, (теоретически 0,02…2,14 %С – см. диаграмму «железо–цементит», рис. 2.1.1
Сталей по равновесной структуре)
В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (критические точки G и N в железе, см. рис. 2.1.1; в сталях их принято обозначать А3 и А4 соответственно) зависят от
Мартенситного превращения
(классификация сталей по структуре нормализации)
Остановимся на двух важных закономерностях, проявляющихся при легировании сталей.
1. Очевидно, что по сравнению с
Закалки и прокаливаемость стали
В начале темы 2.3 отмечалось, что существенным недостатком углеродистых сталей является их пониженная прокаливаемость. Напомним, прокаливаемость – это способность стали приобретать мартенси
Легированных сталей
В разделе 2.1.3 отмечалось, что основой классификации углеродистых сталей по назначению (конструкционные и инструментальные) является зависимость их механических свойств
Вопросы для самопроверки к теме 2.3
1. Какие стали называются легированными?
2. Как влияют легирующие элементы на полиморфизм железа? Сравните классификацию углеродистых и легированных сталей по равновесной структуре.
Промежуточные тесты к теме 2.3
I. Укажите два химических элемента, ответственных за формирование структуры сталей аустенитного класса:
1) Mo;
2) Mn;
3) Cr;
4) Ni;
5) W.
II. К
ОТВЕТЫ НА ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ТЕСТЫ
3.3. учебное пособие (электронный учебник)
Как отмечалось выше, темы «Опорного конспекта» обязательны для тщательного изучения, так как они составляют основу металловедения. Однако дл
II.Теоретическое обоснование
Изучение связи между строением (структурой) и свойствами материалов является основной задачей материаловедения. Понятие структуры включает в себя тип и относительное количество фаз, присутствующих
Основы макроанализа
Макроанализ - это анализ макроструктуры материалов, изучаемой невооруженным глазом или с помощью лупы (увеличение до 30 раз). Понятно, что такой метод исследования дает ограниченну
III. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными методами макроанализа.
2. Осмотреть образцы с дефектами, наблюдаемыми на поверхности изделий и заготовок. Установить возможную причину появления дефектов.
II. Теоретическое обоснование
В работе 1 отмечалось, что свойства сплавов определяются их структурой. Сведения о структуре (микроструктуре) сплавов могут быть получены при анализе диаграмм состояния, которые являются графическо
III. Порядок выполнения работы
1. Снять экспериментальные кривые охлаждения сплавов системы Pb-Sb различного состава.
2. По результатам анализа кривых охлаждения определить критические точки изучаемых сплавов. Занести э
Цель работы
1. Изучение влияния холодной пластической деформации на структуру и свойства металла.
2. Изучение влияния температуры нагрева на структуру и свойства холоднодеформированного металла.
III. Порядок выполнения работы
1. Произвести пластическое деформирование образца отожженной низкоуглеродистой стали с различными степенями деформации
I. Цель работы
Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии и влияния содержания углерода на их свойства.
II. Теоретическое обоснование
Сплавы железа с углеродом (с
Сплавов от содержания углерода
Из диаграммы железо-цементит следует, что структуры практически всех сплавов (>0,01 % С) при нормальных температурах формируются из двух фаз -феррита и цементита. Очевидно, что с увеличением сод
III. Порядок выполнения работы
1. Нарисовать диаграмму железо-цементит, установить с ее помощью структуру сплавов с различным содержанием углерода.
2. Используя микроскоп, изучить структуры сплавов с различным содержани
I. Цель работы
Изучение структуры и свойств различных типов серых чугунов.
II. Теоретическое обоснование
Чугуны - железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 %С. В работе 4
III. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с классификацией, маркировкой и способами получения различных типов серых чугунов. Обратить внимание на принципиальное отличие структур серых и белых чугунов.
2. С помощью
I. Цель работы
1. Изучение влияния содержания углерода и режима закалки (температуры нагрева и скорости охлаждения) на структуру и свойства закаленной стали.
2. Изучение влияния температуры отпуска на ст
III. Порядок выполнения работы
1. С помощью диаграммы железо-цементит (рис. 6.3) установить температуры нагрева под закалку сталей 20, 45 и У8. Поместить в печь 5 образцов стали 45 и по одному - сталей 20 и У8. Охладить на возду
II. Теоретическое обоснование.
Классификация и маркировка легированных сталей
В предыдущих работах изучались структура и свойства углеродистых сталей. Кроме них существует большое количество легированных сталей, в котор
Прокаливаемость стали
Выше отмечалось, что механические свойства легированных сталей перлитного класса определяются в основном содержанием углерода. Однако даже относительно низкое легирование позволяет значительно повы
II. Теоретическое обоснование
Основные требования, предъявляемые к материалам для режущего инструмента - это высокая твердость и износостойкость. От этих характеристик зависит прежде всего качество обрабатываемой поверхности. К
III. Порядок выполнения работы
1. Выбрать режимы закалки и отпуска и произвести термическую обработку образцов углеродистой (У10) и низколегированной инструментальной стали (ХВГ).
2. Измерить твердость термически обрабо
II. Теоретическое обоснование
Алюминий из-за невысокой прочности (sв£140 МПа даже в наклепанном состоянии) как конструкционный материал практически не используется. Сплавы на основе алюминия, сохраняя присущие
III. Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с принципами классификации алюминиевых сплавов.
2. Получить у преподавателя образец отожженного дуралюмина. Измерить твердость на приборе Роквелла (HRB). Закалить образец с
III. Порядок выполнения работы
1. Получить комплект микрошлифов латуней и бронз различных марок в литом и отожженном состояниях. Изучить микроструктуры сплавов, зарисовать их. Установить связь между химическим составом (марками)
I. Цель работы
Изучение особенностей структуры и свойств металлических сплавов, применяемых для изготовления деталей подшипников качения и скольжения.
II. Теоретическое обоснование
В машинострое
III. Порядок выполнения работы
1. Выбрать марку стали для изготовления деталей подшипника - шариков, роликов заданного (преподавателем) диаметра. Назначить режим термической обработки, произвести ее, измерить твердость образца в
II. Теоретическое обоснование
Любые упругие элементы (пружины, рессоры, мембраны) работают только в упругой области, т.е. действующие напряжения должны быть меньше предела упругости sу
II. Теоретическое обоснование
Пластмассы широко применяются в различных отраслях промышленности в основном в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов. По сравнению металлическими материалами переработка пластма
III. Порядок выполнения работы
Изделие (диск) изготавливают из пластмасс двух типов - термопластичной (полиэтилен) и термореактивной (акрилоксид). Работа выполняется на двух одинаковых стальных пресс-формах поочередно двумя груп
Глоссарий
(толковый словарь основных материаловедческих терминов, встречающихся
в «Опорном конспекте», контрольных и лабораторных работах)
При пользовании Глоссарием необходимо иметь в виду
И методические указания к ее выполнению
Работа выполняется письменно и после исправлений отмеченных преподавателем ошибок подлежит устной защите.
При оформлении работы нужно оставлять на каждой странице поля для замечаний препод
Назначение изделия
Начинать нужно именно с назначения изделия (указывается в задании), поскольку оно сразу определяет тип материала. Все изучаемые в данном курсе материалы можно разделить по назначению на два основны
Условия работы изделия
а) Величина нагрузки и характер нагружения определяют требования по механическим свойствам; обычно они указаны в задании – чаще твердость и прочность (σВ или
Размер (сечение) изделия
Если в задании указан диаметр изделия, то речь идет о прокаливаемости стали – способности закаливаться (приобретать мартенситную структуру) на определенную глубину. Для большинства ответстве
Технология изготовления изделия
Если в задании указана технология изготовления изделия – литье, обработка давлением, то это служит дополнительным ориентиром выбора материала.
Основным требованием к материалу, испо
Экономичность
Главной целью выбора материалов является обеспечение необходимого комплекса эксплуатационных свойств (что обсуждалось выше), определяющих работоспособность изделий. Однако оптимизация выбора предпо
Надеемся, что приведенные выше рекомендации помогут Вам в выполнении второй части контрольной работы.
Вторая часть контрольной работы имеет 10 вариантов (в каждом четыре задания). Номер варианта выбирается по предпоследней цифре шифра. Задания скомпонованы так, что
Итоговый контроль
Итак, Вы освоили материал «Опорный конспекта», выполним необходимые лабораторные и контрольную (и она зачтена преподавателем) работы. Остается завершающий этап учебного процесса – подготовка и с
Вопросы для самопроверки
Тема 2.1.1
1. В чем сущность металлической межатомной связи? Как сказывается характер межатомной связи на свойствах металлов?
2. Каковы особенности кристаллического строения тел п
Тема 2.1.5
1. Что такое конструкционная прочность? Какими характеристиками она определяется?
2. Охарактеризуйте такие критерии прочности, как предел прочности (временное сопротивление), предел текуче
Тема 2.1.20
1. Какие вещества называются полимерами? В чем принципиальное отличие их строения от металлов?
2. Что такое полимеризация? Рассмотрите этот процесс на примере образования полиэтилена.
ТЕСТ 10
1. В чем причина роста твердости сталей в равновесном (отожженном)
состоянии при увеличении содержания в них углерода:
1) уменьшается размер зерна;
2) увеличивается накле
ТЕСТ 11
1. Материал для изготовления деталей методом холодной штамповки должен обладать высокими значениями:
1) твердости;
2) предела текучести;
3) предела прочности;
4)
ТЕСТ 12
1. В результате сплавления химических элементов А и В сплав не может быть:
1) многофазным;
2) многокопонентным;
3) однофазным;
4) твердым раствором;
5)
Вопросы для экзамена
1. Материаловедение; задачи и цели изучения дисциплин. Основные понятия – химический состав и структура материалов.
2. Основные механические свойства материалов (прочность и твёр
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
(технология конструкционных материалов)
Учебно-методический комплекс
Редактор М.Ю. Комарова
Оригинал-макет выполнил А.В. Сивенков
Новости и инфо для студентов