Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

46.Основы легирования стали. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом. Влияние легирующих элементов на устойчивость аустенита и феррита.

Легирующие элементы вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств. Почти все элементы растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4.По влиянию делятся на 2 группы:1) понижают температуру точки А3, повышают А4.Расширяется область γ-фазы и сужается α-фазы. Сплавы наз аустенитными, если при всех температурах твердый раствор легирующего элемента в γ-железе и не испытывают фазовых превращений. Частично претерпевающие превращение – полуастенитные. 2)понижают А4 и повышают А3. Интервалы точек А1 и А3 сливаются, область γ-фазы полностью замыкается. Сплавы, сост из твердово легирующего элемента в α-железе, наз ферритными. Все легир. эл-ты упрочняют сталь. Часто наряду с повыш. прочности, повыш. пластичность, наприм. легир. Ni. Легир. эл-ты измен. кинетику распада А, сниж. скорость диффузии при всех тем-рах стали, поэтому увелич. устойчивость А. С-образные кривые смещаются вправо, тем самым сниж. критич. скорость закалки. Это улучш. закаливаемость и прокаливаемость стали, так действуют все легир. эл-ты, кроме кобальта. При содерж. в Fe 20% Cr, она способна закаливаться на М. В сталях в кот. содерж. легир. эл-тов <2,5% наз. низколегир.; 2,5-10% - легир.; >10% - высоколегир. В низколегир. сталях обычно содерж. каждого легир. эл-та всегда <1%, хотя он и показан в марке стали. Молибдена 0,15-0,4%; вольфрама 0,5-1,2%; ванадия 0,06-0,3%; Ti 0,03-0,09%; бора 0,002-0,005%; ниобия 0,02-0,05%; азота 0,015-0,025%. Все легир. эл-ты, кроме марганца, уменьш. склонность А зерна к росту. Избыточные карбиды не растворимые в А препятствуют росту зерна А, поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого кол-ва не растворимых карбидов сохран. мелкозернист. строение до высоких тем-тур. Легир. эл-ты замедляют процесс распада М.

57.Медь и ее сплавы.

Концентрация меди в земной коре 0,01%, в рудах в среднем 5%.Это металл красно-розового цвета без полиморфных превращений. Температура плавления 1083 град. Прочность 160 НПА. После прокатки и прессования 240 НПА. Высокая пластичность, теплопроводность, что обуславливает широкое применение. Медь – основа латуни и бронзы. Недостатки – высокий удельный вес, вязкость, низкая текучесть.

Латуни: 1)двойные (простые); 2) многокомпонентные (легированные). 1) маркируются «Л» и процентное содержание меди. Л96, Л85, Л80, Л62, Л59.

Чем больше цинка, чем дешевле, он повышает прочность и пластичность.Л70 содержит 90% меди, имеет золотой цвет, применяется для золотых изделий. Если 90 и более % меди, то наз ТОМПАК, если 80-85, то ПОЛУТОМАПАК. В маркировке также пишут легирующие

элементы (Al–A, Ni-H, Be-Б,Р-Ф, олово-О,Si-K, Mn-Mц, Be-Б, Zn-Ц) и за буквой количество каждого элемента.

Бронзы: сплавы Cu c Al,Cn,гелием и т.д. Оловянные

бронзы не обрабатываются давлением и применяются в литом состоянии БРО10Ф1.

Алюминиевые бронзы имеют высокие механические, антикоррозийные, антифрикционные свойства, более дешевые. Могут работать до температуры 400-500гр. До 3% Si. Хорошо паяются, свариваются. Бериллиевые бронзы – сплавы, которые упрочнятся термообработкой. После закалки прочность 450 НПА. Упрочняется при последующем старении, обладает хорошими упругими свойствами. БРБ2 – изготовление пружин, мембран, обработка резаньем, сваркой, сопротивляется коррозии. Свинцовые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами. БРЦ30 для подшипников скольжения, работают при больших нагрузках, имеют высокую теплопроводность.

Маркировка деформированные бронзы: БР, затем легирующие элементы (все буквы, потом процентное содержание) БРОФ-4-0,25. Литейные бронзы: процентное содержание после каждой буквы БРО6Ц6С3.

52.Интрументальнве стали и твердые сплавы.

Интрум стали – углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью 63-65 HRC, красностойкостью(теплостойкостью) – способностью не уменьшать свою твердость при повышении температуры. Обычно это стали, состоящие из мартенсита и избыточных карбидов после закалки и низкого отпуска. Они делятся на:

1.легированные и углеродистые стали с небольшим содержанием легирующих элементов и не обладающих теплостойкостью, работают до 200град. У7…У13,Х,ХВГ (Г-марганец),В1,ХГ2М.

2.легированные стали, содержащие до 18% легирующих элементов. Теплостойкость 400-500град. Х12,Х12М,Х12М2, 5ХНВ,5ХГМ,5ХНТ и др.

3.теплостойкие, высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие V,Cr,Co,Mo и др. Теплостойкость 600-650град. Быстрорежущие маркируются «Р». Р18,Р9К5,Р6М5К5,4К5В2ФС,

4К8В2,3К7В7. Все

быстрорежущие стали содержат 4% Cr, но он не обозначен.

По назначению:

1.для режущих инструментов (должны иметь высокую твердость режущей кромки, для изготовления используются все 3 вида) 2.для штампа холодной деформации 3.для штампа горячей деформации 4.для измерительных инструментов и деталей высокой прочности, требующих износостойкости и стабильности. Обрабатываются ТМО, состоящей из закалки и последующего многократного отпуска, бладоря чему повышается твердость. Иногда подвергается дополнительной обработке: низкотемпературное азотирование, цианирование, обработка высокотемпературным паром.

Твердые растворы – металлокерамические материалы, изготовленные порошковым методом. Твердость 87-92 HRC. Сплавы, используемые в промышленности делятся на:

1.вольфрамовые ВК8,ВК3,ВК6

2.окись вольфрама, титана, кобальта.Т15К6,Т30К4,Т15К10

3.карбиды Ti,Co,V,Ta. ТТ8К6.

В конце «В»(крупный порошок), «М» мелкий.

53.Коррозионная стойкость.

Коррозия – самопроизвольное разрушение материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. В результате взаимодействия с такой средой механические свойства материала резко падают, иногда при отсутствии видимого изменения внешней поверхности. Химическая – при воздействии на металл газом (газовая), неэлектролитом (нефть, нефтепродукты). Электрохимическая – в жидких электролитах (влажная атмосфера, почва, морская и речная вода, водные растворы солей, щелочей и кислот). В электролит помещаются 2 различных металла, получается гармоническая пара, при этом

металл, который легче, анод (отдает электроны). Он

постепенно разрушается. Пары возникают между различными фазами, анод – границы зерен. Чем больше границы зерен, тем быстрее разрушение. По характеру разрушений различают местную и равномерную коррозию. Местная: контактна, межкристаллитная (разрушение по границам зерен), точечная.

Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, наз коррозионностойкие (нержавеющие). Устойчивые в газовой коррозии – окаленностойкие. Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением элементов, образующих на поверхности защитную пленку, прочно сцепленную с основным металлом, которая предупреждает контакт стали с агрессивной средой и повышает электрохимический потенциал стали в различных средах.

48. Обозначение марок легир. сталей. Их клас-ция.

1. по равновесной структуре: 1.1.доэвтектоид. стали (в структуре избыточн. Ф);

1.2.эвтектоидн. (П); 1.3.заэвтект. (избыточн. вторичн. легир. карбиды); 1.4.ледебуритные (первичн. карбиды выделившиеся при кристаллиз. из жидк. стали – кристаллы). По структуре Л должен быть отнесен к чугунам. В легир. сталях при меньшем содерж. углерода выделяется Л. В чугунах Л не деформируется, он очень хрупкий, в легир. сталях он деформируется, поэтому стали с Л более хрупкие. В некот. легир. сталях углерода м.б. >2,14%. 2. по структуре после охлажден. на воздухе: 2.1. перлитная; 2.2. мартенситная; 2.3. аустенитная. Эта классификация предложена французом Гийе. Немец Обер Дерфер предложил другую клас-цию. По нему структура м.б.: П; М; А; Ф; карбидная (Л); бенитная; Ф-М; А-Ф; А-М.

3. по составу: 3.1. никелевые; 3.2. хромистые; 3.3. хромоникелевые; 3.4. хромоникелемолибденовые и т.д. 4. по назначению: 4.1. конструкционные; 4.2. инструментальные; 4.3. стали и сплавы с особыми св-вами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, эл.-технич. и т.д.). Если в стали легир. элементов >50%, то это сплав на основе Fe. Наличие легир. элементов оговаривается в марке стали. Для этого приняты условные обозначения: это или первые буквы названия элемента, или наиболее звучащие буквы, или не то и не другое. H-Ni; X-Cr; B-вольфрам; M-молибден; Т-титан; Д-Cu; Ф–ванадий; Е–селен; Ч–редкоземельные эл-ты; Р-бор; К-кобальт; А-азот; Ю-Al; Б-ниобий; Г-Mg; С-кремний. Кроме того для обозначения некоторых групп прим. др. условные обознач., при этом эти условные обозначения ставятся впереди марки: Е-эл.-технич. стали для пост. магнитов; Ж-нержавейка Перлит класса; Я-нержавейка Ауст класса; Р-быстрорежущ. стали; У-углеродистые инструментальные стали; Э-эл.-технич. стали; ЭИ-экспериментально-исследовательские; ЭП-экспериментально-пробные. Пример: 12Х18Н10Т; 30ХГСА.

54.Хромистые и хромоникелевые стали.Хром должен быть растворен в стали. Если он образует карбиды, то сталь ржавеет. Для предотвращения в сталь добавляют Ti,Ta. В 20Х13, 40Х13, 95Х18 имеют мартенситную структуру. 12Х15 мартенситно-ферритную, 12Х17 ферритную.ТМО мартенситного класса состоит из закалки под температурой 1000град и низкого отпуска при 200-300град (режущие, инструментальные, пружины, предметы домашнего обихода). Стали мартенсит-ферритн и ферритн классов: закалка и высоки отпуск, чтоб получить сорбитную структуру (для деталей с высокой пластичностью). Некоторые стали (12Х17, 15Х25Т) подвергаются только для получения равновесной структуры с целью повышения прочности (пищевая промышленность). Сварка ферритных сталей не производится, так как при этом интенсивно растет зерно и износостойкость падает. На ряду с хромистыми применяются стали с 18% Cr и 9-12% Ni. Стали имеют аустенитную структуру. Коррозионная стойкость больше, они более пластичные, хорошо свариваются. Широко распространена 12Х18Н10Т, 0,4Х18Н10. ТМО: закалка 1000-1150град без отпуска. Никель очень дорогой, поэтому часть его или весь никель заменяют марганцом. Вместо 12Х18Н10Т используют 10Х14ГН4Т. Также используются стали аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов.Стали А-М класса имеют высокий предел прочности и хорошо свариваются (0,9Х15Н8Ю).Стали А-Ф класса имеют высокий предел прочности, но не выдерживают работу в серной и хлорной кислотах. Тогда используются сплавы на основе Fe и Ni: 0,4ХН40МдТЮ. Этот сплав содержит 14-17% Cr b 1,5-6% Mo. Закалка 1050-1100град и последующее старение при 600-700град, при котором выделяется упрочнительная γ-фаза. Широко применяется сплав ХН65МВ, который работает при повышенных температурах в солянокислых и сернокислых средах. Также применяются двухслойные сплавы. При этом наружный слой изготовлен из низколегированной или углеродистой стали, а второй из коррозионностойких сталей.

47. Влияние легир. эл-тов.

Все легир. эл-ты упрочняют сталь. Часто наряду с повыш. прочности, повыш. пластичность, наприм. легир. Ni. Легир. эл-ты измен. кинетику распада А, сниж. скорость диффузии при всех тем-рах стали, поэтому увелич. устойчивость А. С-образные кривые смещаются вправо, тем самым сниж. критич. скорость закалки. Это улучш. закаливаемость и прокаливаемость стали, так действуют все легир. эл-ты, кроме кобальта. Все легир. эл-ты сниж. тем-ный интервал М превращения, поэтому малоуглеродист. стали, кот. обычно не закаливаются на М, в присутствии легир. эл-тов становятся способными закаливаться. При содерж. в Fe 20% Cr, она способна закаливаться на М. В сталях в кот. содерж. легир. эл-тов <2,5% наз. низколегир.; 2,5-10% - легир.; >10% - высоколегир. В низколегир. сталях обычно содерж. каждого легир. эл-та всегда <1%, хотя он и показан в марке стали. Молибдена 0,15-0,4%; вольфрама 0,5-1,2%; ванадия 0,06-0,3%; Ti 0,03-0,09%; бора 0,002-0,005%; ниобия 0,02-0,05%; азота 0,015-0,025%. Все легир. эл-ты, кроме марганца, уменьш. склонность А зерна к росту. Избыточные карбиды не растворимые в А препятствуют росту зерна А, поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого кол-ва не растворимых карбидов сохран. мелкозернист. строение до высоких тем-тур. Легир. эл-ты замедляют процесс распада М. Это связано с тем что процессы при отпуске имеют диффузионный хар-тер, а большинство легир. эл-тов замедляют процесс карбидного превращения особенно на стадии коагуляции.

51. Конструкционные цементуемые и улучшаемые легир стали.

Цементуемые стали. Для изготовления деталей упрочняемых цементацией и нитроцементацией применяют низколегированные стали с содержанием 0,15-0,25 реже до 0,3% С. Содержание легирующих элементов не должно быть слишком большим, но должно обеспечить прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. Прокаливаемость сердцевины должна обеспечить высокие механические свойства, особенно пределы текучести и твердости. При циклических нагрузках цементуемых и нитроцементуемых деталей, сопротивление их разрушения зависит от прочности сердцевины. Для получения высокой прочности и сопротивлению хрупкому разрушению используется непосредственно закалка после цементации, но стали должны быть наследственно мелкозернистыми. Увеличение зерна в цементованном слое после термообработки (т/о) уменьшает контактную прочность, предел выносливости при изгибе. Для измельчения зерна в стали, ее микролегируют ванадием, Ti, ниобием, цирконием, Br, N в результате чего образуется прочные, дисперсные нитриты, карбиды, корбонитриды, бориды. Все цементуемые стали делятся на три группы: 1) Сталь 10, 15, 20 - с неупрочняемой сердцевиной, применяют при незначительных нагрузках; 2) Сталь 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХН – низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной; 3) Сталь 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, 30ХГТ, 18ХНМФ, 25ХГНМАЮ – относительно более высоколегир стали с сердцевиной сильно упрочняемой т/о также называют высокопрочные цементуемые стали. Улучшаемые стали. Содержат 0,3-0,5% С и разное кол-во легир эл-ов: хром, Ni, молибден, вольфрам, марганец, кремний в сумме не более 3-5% и часто около 0,1% измельчителей. Т/о: закалка + высокий отпуск. Делятся на 5 групп. По мере увеличения номера группы растет степень легир и прокаливаемость. 1) Сталь 40, 45 критический 10 мм, прим для неответст деталей 2) Сталь 40Х, 40ХР - крит 25-35 мм. Эти стали использ для изготов коленч валов, осей, зуб кол, работающих на износ без значительных ударных нагрузок, 3) Сталь 30ХМ, 40ХГ, 40ХГР - крит  35-40 мм. Стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью, имеют пониженную вязкость и повышенные порог холодноломкости. 4) Сталь 40ХН, 40ХНР, 40ХГНР, 40ХНМ - крит  50-75 мм. Имеют более высокую прокаливаемость, высокую прочность и вязкость. Их использ для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. 5) 30ХН2ВФ, 38ХН3МФ - крит  > 100 мм. Высокая прокаливаемость и прочность. Из за присутствия в стали водорода образ флокины, котор обнаруж после прокатки в виде тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе тип пятен в виде хлопьев серебристого цвета. Они резко ухудшают свойства сталей. Используют в наиболее ответственных деталях.

55.Титан и его сплавы.

Титан – металл серого цвета. Температура плавления 1668град.

Технический титан изготовляют 2х марок ВТ1-00 (99,53%), ВТ1-0 (99,46%). На поверхности легко образуется оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии в некоторых агрессивных средах. Его обрабатывают давлением. Сплавы имеют большее применение, чем титан. Легирование титана Fe,Al, Mn, Cr, V, Si повышает его прочность, но снижает пластичность и вязкость. Жаропрочность повышают Al Mo Zr. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность. Al N O повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область α-фазы. Mo V Mn Fe Cr понижают эту температуру и расширяют область β-фазы: β→α+ТхМу. При охлаждении β-фаза претерпевает эфтектоидное превращение. Как правило все промышленные сплавы титана содержат алюминий. Могут иметь нейтральные элементы (Sn Zr).

Титановые сплавы применяются в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении и др. ВТ5 хорошо обрабатывается давлением и сваривается. ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой. ВТ14 применяют для изготовления тяжелонагруженых деталей. ВТ8 применяют после изотермического отжига. Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

56.Термическая обработка титановых сплавов.

В зависимости от состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке.

Чаще подвергают отжигу. Нагрев до 870-980град и далее выдержка при 530-660град. Широко применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозийному растрескиванию. Для снятия небольших внутренних напряжений применяют неполный отжиг при 550-650 град. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850-950 град в течение 30-60 часов в атмосфере азота (слой 0,05-0,15 мм). . ВТ5 хорошо обрабатывается давлением и сваривается. ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой. ВТ14 применяют для изготовления тяжелонагруженых деталей. Сплав упрочняется закалкой при 850-880град в воде с последующим старением при 480-500град 12-16 часов. ВТ8 применяют после изотермического отжига. Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

50.Особенности поведения металлов и сплавов при высоких температурах.

Жаропрочность – способность противостоять агрессивной среде при высоких температурах. Если среда действительно газовая, то проблема сводится к окалености. Газы в зависимости от температуры ведут ся по разному. Азот нейтрален при комнатной температуре, а при 1100град очень агрессивен. Fe окисляется и образуется плотная пленка, которая предохраняет от дальнейшего окисления. Она устойчива до 500град. При 570град окись железа Fe3O4 превращается в FeO (дюстит), который растворяет в себе и O и Fe. При повышении температуры вся сталь может превратится в окаленную и ее нужно защищать легированием Al,Ti,Si,Cr . При длительной работе при нагрузке меньше предела текучести и температуре 0,4-0,5 от температуры плавления металл испытывает медленную пластическую деформацию, которая называется ползучестью. Напряжение, которое вызывается разрушением металла при высоких температурах, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки. Оно может быть большим при кратковременном приложении нагрузки и значительно меньшим при длительном приложении нагрузки. При работе металла при высоких температурах возникает жаропрочность (способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных нагрузках). Основной критерий – предел прочности (который приводит к разрушению металла при заданной температуре за время ) и предел ползучести (вызываемый деформацией за опред время при опред температуре). Диаграмма напряжения из сопромата. Ползучесть вызывает ослабляет напряжение в предварительно нагруженных деталях. Большенство жаропрочных металлов поликристаллические. Крупнозернистые металлы легируют таким образом, что по границам зерен выделяются упрочнительные фазы. Монокристаллические металлы очень дорогие. В зависимости от температуры применяются различные сплавы.

2.газообразное,жидкое и тверд состояние.Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии

энтропии, плотности и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму — сильно ионизированный газ (т. е. газ заряженных частиц — ионов, электронов), образующийся при высоких температурах (свыше 105 К). Однако это утверждение неточно, так как между плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко отличается от газа прежде всего сильным электрическим взаимодействием ионов и электронов, проявляющимся на больших расстояниях Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит главным образом от температуры и давления, при которых оно находится

В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практически

не взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный объем. Таким образом, для газа характерно отсутствие собственного объема и формы.

Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собственный объем. Для теплового движения атомов в жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении атомов, т. е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на расстояниях, сравнимых с межатомными. Для жидкости в отличие от твердого тела характерно такое свойство, как текучесть. Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т. е существования

так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное

расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т. д.). В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело. Аморфное состояние образуется при быстром- (106 О С/с и более) охлаждении расплава. Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами. Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно «построить», выбрав для этого определенный «строи тельный блок» (аналогично постройке стены из кирпичей) и многократно смещая этот блок по трем, непараллельным направлениям. Такая «строительная» единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках (в узлах кристаллической решетки). В первом случае элементарные

31. классификация видов термической обработки по А.А.Бочвару.

Терм.обр-ка (ТО) – это тепловое воздействие на металл (Ме), которое приводит к изменению его структуры и свойств. По глубине и разнообразию структурных изменений, создаваемых ТО, с ней не может сравниться никакое другое воздействие. В основе ТО лежит превращение, происходящее в процессе нагрева, выдержки и последующего охлаждения. В зависимости от того, какие процессы происходят при ТО все виды ТО делят на группы. Основным признаком классификации является тип фазовых и структурных превращений в Ме.

1. отжиг без фазовой перекристаллизации

а)отжиг рекристаллизация

б)отжиг гомогенизация

в)отжиг для снятия внутренних напряжений, полученных в результате предшествующей обработки.

2. отжиг с фазовой перекристаллизацией

3. закалка

4. отпуск

5. химико-термическая обработка

6. термо-механическая обработка.

Любой процесс ТО связан с диаграммой состояния. ТО с фазовой перекристаллизацией имеет основное значение для стали. В основе ТО стали лежит: -полиморфное превращение, -различная растворимость в зависимости от t (линия солидус). Превращения, рассмотренные при получении диаграммы железо-углерод протекают во времени и успрочняются процессами диффузии. Поэтому появляется возможность влиять на них, изменяя их кинетику. Рассмотрим на примере стали У8

Перлит устойчив до t=727град., выше этой t перлит превращается в аустенит, поскольку свободная энергия аустенита меньше. Критические точки стали (точки Чернова) обозн.буквами А. существуют точки А1,А2,А3,А4. А1 соответствует линии PSK, А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидной стали.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении ставят знак после буквы А перед цифрой: с – при нагреве, r – при охлаждении. Кроме того существует точка А2 – точка Кюри – 768град, температура магнитного превращения. При этой температуре железо становится немагнитным. И точка А4 соответствует t=1392град, когда гамма-железо превращается в бета-железо.

32. превращения в стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали.

При нагреве до 727град. в стали превращений не происходит. Когда температура достигает 727град начинаются фазовые превращения. При этом должно произойти два процесса:

1. Ф0,025 (ОЦК) → А0,025 (ГЦК) – ПП(полиморфное превращение)

2. А0,025 + Ц6,67 → А0,8 (растворение углерода в решетке)

А обр-ся в результате полиморфного превращения Ф. Т.к. в одной перлитной колонии может образоваться несколько зародышей А, неизбежно измельчение размеров зерна. По окончанию превращения полученный размер зерна называется начальным зерном аустенита. При дальнейшем росте температуры начинается рост аустенитного зерна. Рост, в зависимости от состава стали, может идти по-разному. Если в стали не содержатся нерастворимые примеси, то зерно начинает расти с самого начала, называется наследственно крупнозернистой. Если в стали содержатся нерастворенные примеси, то до какой-либо температуры они сдерживают рост зерна, а после их растворения зерно интенсивно растет – наследственно мелкозернистая. Зерно А, полученное в результате ТО называется действительным зерном А. Действительное зерно зависит от состава стали и температуры нагрева. Температура нагрева для доэвтектоидной стали при фазовой перекристаллизации определяется из расчета: АС3+(30..50)град.С. для эвтектоидной и заэвтектоидной стали t определяется из сообношения: АС1+(50..70)град.С. Для доэвтектоидной и эвтектоидной стали эти температуры обеспечивают полную фазовую перекристаллизацию и называется полным отжигом. Для заэвтектоидной стали эта температура не обеспечивает полной фазовой перекристаллизации, т.к. в структуре присутствуют 2 фазы и такой вид обработки называют неполным отжигом. Полный отжиг для заэвтектоидных сталей не используется, т.к. при этом интенсивно растет зерно.

33. превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита.

(распад аустенита)

сущность заключается в том, что при переходе через линию Аr1 образуется почти чистое железо и цементит.

А0,8 → Ф0,025 + Ц6,67

Процесс осуществляется с помощью двух реакций:

1. А0,8 → А0,025+Ц6,67

2. А0,0025 → Ф0,025

выделение угрерода из аустенита – процесс диффузионный и представляет собой процесс зарождения центров Ц и их последующего роста. Образование цементитных пластинок способствует образованию ферритной пластинки, т.к. соседние области обедняются углеродом. В результате из одного аустенитного зерна образуются несколько ферритных колоний, следовательно, размеры зерен уменьшаются.

Превращение аустенита в перлит можно изобразить в виде кинетической кривой превращения:

а-начало превращения, оа-инкубационный период 1-1,5%, в-конец превращения, ∆Т-const для строго определенной степени переохлаждения. Если взять различные степени переохлаждения и определить для каждой из них точки а и в то получим так называемые С-образные кривые превращения. (а1,в1 – для одной степени переохлаждения,а2,в2 – для другой). Различные степени переохлаждения получаются в зависимости от скорости переохлаждения, следовательно, получаются различные структуры распада. При скорости охлаждения 1-2град в мин.степень переохлаждения составляет 10-15град., такая скорость обеспечивается при охлаждении вместе с печью. При этом распад А происходит при t=700град., полученная структура называется пластинчатым перлитом, а обработка – отжигом. Сталь со структурой перлита имеет хорошую пластичность и низкую твердость. HB=180-200. Охлаждение со скоростью 1 град/сек дает степень переохлаждения 100-150град. Такую скорость обеспечивает охлаждение на воздухе. В результате получается более мелкий (дисперсный) перлит, называемый сорбитом. Твердость сорбита более высокая (НВ=250-280), такая термообработка называется нормализацией.

Охлаждение со скоростью 100-150 град/с обеспечивает степень переохлаждения 250-300град. в результате получаеца очень дисперсный перлит, называемый трооститом. (НВ=400-450). Такая ТО называется одинарной. При охлаждении можно достичь таких скоростей, когда превращения аустенита не происходит, т.е. А распадается на Ф и Ц. скорость охлаждения, когда кривая охлаждения касается С-образной кривой называется критической скоростью, в этом случае превращения А в П не происходит. Такая скорость обеспечивается при охлаждении в воде, степень переохлаждения больше 200град, а скорость охлаждения 300-500 град/сек. При этой степени переохлаждения скорость диффузии углерода в А очень мала, но ГЦК неустойчива и начинаются полиморфные превращения А без выделения углерода. При этом начинается бездиффузионное превращение аустенита в новую фазу – мартенсит.

А0,8%(ГЦК)→М0,8%(ОЦК)

Т.к. превращение бездиффузионное, углерод не успевает выделиться, возникают внутренние напряжения, повышается твердость. Особенности перехода А в М: 1. не сопровождается изменением состава, бездиффузионный. 2. кристалл.решетка обр-ся мартенсита закономерно ориетированна к крист.решетке аустенита. 3.решетка тетрагональная. 4. кристаллы М имеют пластинчатую форму и образуются почти мгновенно.

34. превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Обработка холодом.

При нагреве до t=80гр.,при t ниже 80гр.превращения происходят медленно. Суть превращений при нагреве закаленной стали. При температуре 120-200град. начинается распад аустенита, заключающийся в том, что в отдельных участках образуются карбиды – пластиночки толщиной в несколько анстрем, диаметром порядка 100 анстрем. Решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита. Решетка стабильна. Часть углерода уходит в метастабильный карбид, степень тетрогональности решетки ниже, твердость ниже на несколько единиц – мартенсит отпущенный (мартенсит отпуска). Такой отпуск – низкий. Низкому отпуску подвергаются все режущие инструменты. Нагреваем дальше. При температуре порядка 250 град.аустенит остаточный превращается в мартенсит. Твердость и размеры выше. Греем дальше. При температуре 350-400 Fe2,3C превращается в Fe3C – карбид железа. Структура становится двухфазной, состоит из Fe3C – мелких частиц и феррита. Такой отпуск называется средним, ему подвергаются все упругие элементы. Греем дальше. При температуре 550-600град. размеры частиц цементита увеличиваются, но остаются круглыми. Полученная структура называется сорбит отпуска, отпуск – высокий. Такому отпуску подвергаются все детали, воспринимающие ударные нагрузки: зубчатые колеса, валы и т.д., т.к. при этом заметно повышается ударная вязкость. Сочетание закалки с последующим высоким отпуском называется термоулучшением, структура – сорбит отпуска. Отличие сорбита отпуска от сорбита закалки заключается в том, что в сорбите отпуска цементит зернистый, а в сорбите закалки он – пластинчатый, хотя твердость их отличается незначительно. При дальнейшем нагреве сорбит превращается в перлит.

Таким образом, отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.

35. технология термической обработки. Отжиг, нормализация и закалка.

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

1. ОТЖИГ I РОДА Отжиг I рода в зависимости oт исходного состояния стали и температуры ею выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости, снятия остаточных напряжений. Характерная особенность итого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения (а - у) или нет, Поэтому отжиг 1 рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А1 и А3). Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неодно­родность, созданную предшествующими обработками. Бывает: Гомогенизация (диффузионный отжиг). Рекристаллизацконный отжиг . Высокий отпуск (для уменьшения твердости) Отжиг для снятия остаточных напряжений.

2. ОТЖИГ II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас1 или Ac3, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (γ - а-превращение), определяющие структуру и свойства стали. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно снимая внутренние напряжения Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.

3. ЗАКАЛКА Закалка — термическая обработка — заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и а1—для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости. Бывает Непрерывная, Прерывистая, Закалка с самоотпуском, Ступенчатая закалка, Изотермическая, обработка стали холодом.

36. закаливаемость и прокаливаемость. Способы закалки. Охлаждающие среды. Дефекты закалки.

Под закаливаемостью понимают способность стали к повышению твердости

Под прокаливанием понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.

Глубина закаленной зоны является критерием прокаливаем ости. Обычно детали имеют более высокую твердость на поверхности и меньшую в сердцевине. Это объясняется теплопроводностью стали. Однако большинство деталей должны прокаливаться насквозь. Для обеспечения сквозной прокалки и контроля на ней был введен термин – критический диаметр. Под которым понимают максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр Dкр больше диаметра сечения детали.

В зависимости от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов.

Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих критической точке Ac1 и Ac3 с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе (1). В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных - масло. Некоторые высоколегированные стали закаливают на спокойном воздухе. Немаловажное значение имеет и площадь сечения детали; так углеродистые и низколегированные стали с сечением 5 мм закаливают в воде. Детали переменного сечения или сечения менее 5 мм можно закаливать и в масле, поскольку охлаждающей способности масла достаточно, для того чтобы прокалить детали тонкого сечения насквозь. Недостаток: возникновение больших внутренних напряжений, и образование трещин.

Закалка в двух средах - этот способ заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре, переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой собственно и происходит закалка(2). Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, например корабление. Недостаток: требуется высокая квалификация рабочих

Струйчатая закалка - этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких типов деталей, как зубило важно получить высокую твердость рубящей кромки при сохранении вязкого хвостовика; в этом случае инструмент, нагретый до заданной температуры, охлаждают с рабочей поверхности струями воды, тем самым разрушается "паровая рубашка" и рабочая поверхность инструмента интенсивно охлаждается.

Закалка самоотпуском - этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например зубило, нагревают до заданной температуры и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из закалочной среды проводят выдержку на свободном воздухе в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части. Температуру отпуска охлажденной части контролируют визуально по цветам побежалости. Закалку с самоотпуском можно проводить и другим методом, для этого деталь (инструмент) полностью подвергают закалке, а затем нагревают только нерабочую часть и за счет теплопроводности отпускается рабочая часть.

Ступенчатая закалка - этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах(2). Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения. При охлаждении до температуры несколько выше точки начала мартенситного превращения необходимо выровнять температуру по всем сечениям, для этого делают выдержку в первом охладителе до выравнивания температуры, а затем переносят деталь во вторую охлажденную среду, в которой и происходит закалка.

Изотермическая закалка - в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения (4). В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость.

Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.

37. химико-термическая обработка. Цементация и азотирование.

Такая операция, которая сопровождается изменением состава, а вместе с тем и свойств поверхностного слоя обрабатываемого изделия. Поверхностная обработка обеспечивает хорошее сочетание твердости поверхностного слоя детали с вязкостью сердцевины.

Процесс ХТО складывается из 3–х составных:

1.распад молекул газа с образованием активных атомов насыщенного элемента. Это диссоциация.

2.Поглощение атомов насыщенного элемента поверхностью детали–абсорция.

3.Диффузия атомов насыщенного элемента в глубь металла.

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает тверость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим веществом(карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. пРи температуре процесса(900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО2 т.к. процесс идет при недостаточном колличестве кислорода. При контакте окиси углерода с металической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО2+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд. 2СО2->СО2+С

поверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО3, Na2CO3, K2CO3, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов.

Эффективнее способ газовой цементации.

В этом случае и/з камеру зазмещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды(метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще свего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН4. При цементации тщательно регломентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже АС1 т.к. ферит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше АС3, а именно при температурах 900–930 градусах Цельсия. После цементации структура по сечению детали не однородна. На ковкости структура соответствующая структуре заэвтектоидной стали. Далее структура эвтектоидной стали(перлит), а затем структура доэтектоидной стали(Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны.

Результаты цементации оцениваются глубиной и степенью цементации. Степень цементации характеризует содержание углерода в поверхностном слое.

Окончательные свойства формируются после термической обработки. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементитной сетки. Получение структуры мелкодисперсного мартенсита в наружнем слое и феррито-сорбита в серцевине.

Термообработка заключается в закалке с температурой 820–840 градусах Цельсия и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в структуре аустенита остаточного, для утранения которого после закалки, иногда проводят обработку холодом.

Для цементироания применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.

Азотирование – насыщение поверх азотом. После азот-я поверхност слой приобретает более высокую твердость, чем после цементации, в связи с образованием мелких и твердых нитридов. Азотирование произв-ся после механ обработки и терм обраб. Т.о. перед азотированием заключается в закалке и последующем высоком отпуске. А проводят при t 500-550, поскольку t более низкая, чем при цементации, то процесс более длительный. Твердые нитриды получ-ся, если в сталь добавить спец легир элементы, такие как Al, молибден. Стали, содержащие набор таких элементовспец разработанных для азотирования наз-ся нитралои. Если азотир обычные углеродстые стали, то твердость нитридов невысокая, и при t 500 они быстор коагулируют.

38. химико-термическая обработка. Нитроцементация и цианирование. Диффузионная металлизация.

ХТО - это вит обработки, при котор имеется состав и и св-ва поверхностных слоев Ме. Прим для деталей работающих на износ, когда нужно чтобы поверх-ть была прочной, а сердцевина оставалась вязкой. Процесс ХТО состоит из 3-х стадий: диссоциация – происход в газовой среде когда выделяется активный элемент. Абсорбция – происходит на границе газа и Ме и заключается в поверхностными слоями Ме свободных атомов. Этот процесс возможен только тогда, когда свободные атомы способны растворяться в Ме. Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь. Т.к. скорость диффузии в тверд состоянии мала, то процессы эти длительные и могут продолжаться при азотировании несколько десятков часов. Нитроцементация – процесс одновременного насыщения углеродом и азотом. Этот процесс проводиться при t 840-860. t-ра более низкая в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. В этой среде процесс насыщения углерода идет более интенсивно. Продолжит процесса от 4 до 10 часов. Последующая закалка может осущ-ся прямо из печи с небольшим подстуживанием. Реже прим-ся двойная закалка. Цианирование – это процесс насыщения углеродом и азотом в следствии окисления расплавленных цианистых солей. t-ра 820-960, в расплавлен солях содержащих цианистый натрий. Для получения слоя небольшой толщины от 0,15-0,3 мм цианирование производят при t 820-860 в течении 30-90 мин. Поледующ закалку и низкий отпуск проводят сразу после цианирования. Для получения большего слоя от 0,5-2мм, t цианирования составляет 930-960. время выдержки от 1,5-6 часов. При этих T сталь в больших степенях насыщается углеродом до 0,8-2%. После такого режима деталь охлаждается на воздухе а затем под закалку нагревают в соленых ваннах, после чего подвергаются низкому отпуску.

Диффузионная металлизация. Целью д м является насыщение поверхностных слоев стали различными элементами с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, усталостной прочности. Насыщение производят хромом. Процесс наз-ся хромированием, кремнием – сицилированием, Al – алиторованием, бором – борированием, при борировании резко повышается твердость поверх-х слоев, их износостойкость. Процесс борирования очень капризный, он требует четкого соблюдения технологии.

39. термомеханическая обработка.

ТМО заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой. Формирование структуры закаленной стали при тмо происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций, обусловленных условиями горячей деформации. Различают два основных способа: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомех обработка (НТМО). ВТМО: сталь деформируют при t выше АС3 при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20-30%. После деформации следует немедленная закалка во избежании развития рекристаллизации. НТМО сталь деформируют в t зоне существования переохлажденного А в области его относительной устойчивости 400-600. t деформации должна быть выше точки МН, но ниже температуры рекристалл. Степень деформации обычно составляет 75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации. После закалки в обоих случаях следует низкоt отпуск 100-300. Такая комбинированная тмо позволяет получить очень высокую прочность, хорошую пластичность и вязкость.

Возрастают пластичность и сопротивление разрушению.

40. алюминий и его сплавы. Достоинства и недостатки, область применения. Классификация аллюминиевых сплавов. Пресс-эффект в аллюминиевых сплавах.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления – 600град.С, имеет ГЦК решетку. В чистом виде используется в электротехнической промышленности (провода, фольга). Основное применение находят сплавы на основе алюминия (ал-медь, ал-кремний, ал-магний, ал-медь-магний, ал-медь-магний-кремний, ал-магний-кремний)

Все сплавы алюминия можно разделить на группы:

1. деформируемые, предназначеные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей и тд), поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. Деформируемые сплавы подразделяются на сплавы, упрочныемые ТО и неупрочняемые ТО.

2. литейные, предназначенные для фасонного литья.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и в других отраслях промышленности и нар.хоз-ва.

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку и старение, а для устранения неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластичность сплава, - отжиг.

Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и др. превышает обычно назначаемую t нагрева под дефомацию или закалку, поэтому после закалки и старения этих сплавов в них сохраняется некристаллизованная (полигонизованная) структура с высокой плотностью дислокаций, что повышает ее прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения. Наиболее сильно проявляется в прессованных полуфабрикатах (прутки, профили, трубы) и поэтому это явление применительно к ним называется пресс-эффектом.

41. выскопрочные аллюминиевые сплавы, сплавы для ковки и штамповки, жаропрочные алюминиевые сплавы, марки, состав, свойства, термическая обработка, область применения.

Дуралюмины – сплавы Ал-медь-магний, в которые дополнительно вводят марганец (повышает свойства против коррозии), железо и кремний. Маркируется буквой Д и цифрой, например Д1 содержит: 3,8-4,2%меди, 0,5-0,8 магний и марганца. Более широкое применение – Д16. Листы дуралюмина для повышения коррозионной стойкости подвергают плакированию (покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты) или электрохимическому оксидированию.

Упрочнение достигается закалкой и старением.

Закалка – для получения однородного твердого раствора. Старение в три этапа. 1.появляются участки обогощенные медью- 3ГП1, увеличение твердости изза искажения кристаллич.реш-ки. Затем появляется зона ГП2, имеет строение приближающееся к CuAl2 – зонное старение.

2.Греем, ГП2 превр-ся в метастабильную фазу CuAl2, имеющую ГЦК реш-ку, эта фаза когерентно связана с матрицей. Твердость и прочность максимальна. – фазовое старение.

3. греем. Фаза начинает расти. Размеры начинают расти, нарушается когерентность. Прочность и тв-сть меньше – коагуляционное старение.

Дуралюмины удовл.обр-ся резанием, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением (изза склонности к образованию трещин), из Д16 изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, кузова автомобилей и т.д.

Наряду с дюралюмином применяются другие сплавы, имеющие большую твер-сть и прочность. Если есть цинк, маркируется, например В95: 10%цинк, 2%магний,2%медь. Наиболее прочный – В96: 8-9%цинка,2,5%магния,>2%меди,цирконий.

Авиаль. Маркируются АВ: медь 0,1-0,5%, магний 0,45-0,9%, марганец 0,15-0,35, кремний 0,5-1%. Про прочности уступают дуралюминам, но более пластичны в холодном и горячем состояниях. Обр-ся резаним, свариванием. Закаливают при t=515-525град. затем производится старение 160град. 10-12часов. Высокопрочные сплавы В95-96,Д16,Д20 применяют для изготовления деталей и элементов конструкций самолетов, которые требуют долговечности при переменных нагрузках.

Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки отличаются высокой пластичность при t=380-450град., удовл. лит.св-ва, по составу близки к дуралюмину Д1, если Д1 исп-ся для ковки, то маркируется АК1, кроме этого исп-ся АК6, АК8, АК4. подвергают закалке и старению. Наряду с упрочняющей фазой встречаются и др.фазы. хорошо свариваются контактной и др. сваркой.

Жаропрочные сплавы. Исп-ся для деталей работающих при t до 300град(поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки компрессоров и т.д.). имеют более сложный хим.состав. легируются железом, никелем и титаном. Например, высокая прочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди, марганца и титана. Сплавы АК4-1 закаливают при 530град в холодной или горячей воде и подвергают старению при t=200град.

42. деформируемые аллюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой. Марки, состав, свойства, область применения.

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием: АМг и Амц. Цифы в маркировке – это номер сплава, а не химический состав. Эти сплавы имеют малую прочность но высокую пластичность. Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности достигается нагортовкой. Если сплав неупрочнен – в конце буква М, полунагортован – П, нагортован – Н. Сплавы обрабатываются давлением (штамповка, гибка и тд), хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Например, сплавы АМц, АМг2, АМг3 нашли применение в изготовлении емкостей для жидкости (баки для бензина), трубопроводов, палубных надстроек, морских судов и т.д.. Для средненагруженных деталей конструкций используют сплавы АМг5, АМг6 (рамы и кузова вагонов, корпуса и мачты судов и т.д.)

43. литейные аллюминиевые сплавы. Марки, состав, свойства, область применения.

Должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, малой склонностью к образованию пористости и горячих трещин. Хорошими литеными свойствами обладают сплавы, по составу близкие к эвтектическим. Это – сплавы алюминий-кремний, но механические свойства их очень низкие в связи с крупными размерами зерен. Поэтому их модифицируют – добавляют измельчители: титан, цирконий, бор, ваннадий, хром. Результат – значительное измельчение зерна, повышение свойств. По ГОСТ1583-93 литейные алюминиевые сплавы маркируются буквой А, после которой стоят буквы, показывающие наличие легирующих элементов и цифры (количество этих элементов). Буквой К обозначают кремний, М – медь, Мг – магний и тд. Например, АК9, АМ3.

Наиболее широко применяются сплавы системы алюминий-кремний: АК9, АК12 – силумины, обладают лучшими литейными свойствами, модифицируют натрием 0,05-0,08%, добавляют две соли: 67%Na-F + 33%Na-Cl.

Система алюминий-медь (АМ3, АМ5) имеют плохие литейные свойства, но высокую прочность и хорошо обрабатываются резанием. Отливки небольшого размера и простой формы.

Система алюминий-магний (АМг6, АМг10) имеют низкие литейные свойства, но они легкие, обладают хорошими прочностными свойствами, коррозионно-стойкие, применяются в авиа- и судостроении после закалки и старения.

44. термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг, закалка, старение.

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку и старение, а для устранения неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластичность сплава, - отжиг.

Закалка заключается в нагреве до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нормальной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур под закалку. Например для сплава Д16 485-505град., более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей, снижаются мех.св-ва и сопротивление коррозии. Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад пересыщенного твердого раствора. Чаще всего для закалки применяют воду. После закалки сплавы имеют невысокую прочность и высокую пластичность.

После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течении 10-24 часов при повышенной температуре 150-200град.(искуственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном старении образуются лишь зоны ГП1, при искуственном старении последовательность структурных изменений: ГП1 – ГП2 – θ’- θ.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений. В результате пластичность литого сплава повышается. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженых листах и уменьшает склонность к коррозии. Температура – 450-520град, выдержка 4-40ч, охлаждение на воздухе или с печью.

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформрованного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации, применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура рекристаллизации 350-500град., выдержка 0,5-2 часа. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.

45. магний и его сплавы. Марки, состав, свойства, область применения. Особенности литья и термической обработки магниевых сплавов.

Магний – металл серебристо-белого цвета, не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в ГПУ решетку. Низкая плотность – 1,7 г/см3, tплав=651град. Хорошо обрабатывается резанием, воспринимает ударные нагрузки, гасит вибрационные нагрузки. При высокой температуре активно окисляется, при t=623град. на воздухе возгорается. Мг имеет грубую крупнозернистую структуру, низкие механические свойства, малую пластичность и низкую твердость. В чистом виде Мг применяется мало: в пиротехнике, хим.пром-сти, в металлургии (как легирующий элемент, восстановитель). Сплавы Мг находят применение, раньше назывались «электрон». Достоинство: высокая удельная прочность. Легируют Мг цирконием, неодимом, цинком, аллюминием, торием,марганцем. Добавки циркония 0,5% уменьшают размер зерна Мг почти в сто раз. Сплавы: деформируемые, литейные. Маркируются буквой М (если деформ-ые, то А, литейные – Л) и цифры, например, МЛ15,МА5, цифры – номер сплава. Свойства регламентируются ГОСТом 14957-76. Сплав МА5 содержит 0,15-0,5% марганца, 0,2-0,8 цинка, 7,8-9,2% Ал. Сплав МА14 содержит 5-6% цинка, Мн и Ал-нет,цинка 0,3-0,9%. Сплав МА10 легированный Ал, серебром и кадмием, имеет высокую прочность, недостаток – склонность к образованию трещин, что затрудняет их обработку давлением а так же сварку. Литейные магниевые сплавы – ГОСТ2856-79, в виду грубозернистости имею значительно меньшую пластичность и прочность. Преимущество – значительная экономия металла, в виду низких припусков на мех.обр-ку. Имеют невысокие литейные свойства, поэтому сплавы необходимо перегревать. Наибольшее применение нашли сплавы системы Мг-Ал-Зн. Имеют лучшее сочетание свойств. Высокопрочные магниевые сплавы применяют для наружних деталей самолетов, авиадвигателей: корпуса, компрессора, и др. Магниевые сплавы подвергают ТО: отжигу, закалке, старению. В виду малой дифф.подвижности выдержка при ТО составляет 10ки часов. Т1- искуственное старение, без предварительной закалки, выделяется упрочняющая фаза. Т2- отжиг. Для снятия внутренних напряжений и наклепа. Т4- закалка,повышает предельную прочность. Т6-закалка с охлаждением на водухе и поледующее старение – для повышения предела прочности при некотором снижении пластичности. Т61-закалка в воде и старение, исп-ся для получения максимальных прочностных свойств литых деталей

1. Понятие о Ме. Природа Ме связи. Осн. св-ва Ме . Роль рус ученых в развитие науки о Ме. од Ме понимают в-ва, обладающие характерным блеском, в той или иной степени присущей всем Ме, и пластичностью. Кроме того все Ме обладают высокой электро- и теплопроводностью, положительным темпер коэфф-м линейного расширения, термоэлектронной эмиссией, около 30 Ме сверхпроводимостью Наличие этих св-в характеризуют Ме состояние в-ва. Для Мех харак-ны Ме связи, кот-е возникают при образовании из внешних электронов(ел-в) «-» заряженный эл-й газ. В рез-те чего «+» ионы образуют плотную, но пластичную крист.реш-ку. При Ме связи м/у ионами и Эл-м газом возникают электростатич-е силы притяжения, кот-е связывают ионы. Ионы в тв.Ме расположены на таком расстоянии друг от друга, в кот-х силы взаимного притяжения и отталкивания= Основоположником материалов стал П.П.Аносов – раскрыл секрет булатной стали, применил микроскоп, работал над качеств. сталью. Научный основопол-к матер-ия Д.К.Чернов – обнаружил, что в процессе нагрева и последующего охлаждения изм-ся стр-ра стали, обнаружил диапазон этих температур(критические точки Чернова), сделал наброски диаграммы Fe-C.

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.

Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.

Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами.

3. Кристаллизация.

Объемная составляющая свободной энергии:

где U - внутренняя энергия системы, TS - связанная энергия системы, представляющая собой произведение температуры T на энтропию S.

С ростом температуры свободная энергия любой системы снижается по кривой направленной выпуклостью вверх.

Энтропия жидкости выше энтропии кристаллов.

Для начала кристаллизации необходимо переохлаждение, а для начала плавления необходим перегрев. Только в этом случае уменьшение объемной составляющей свободной энергии превысит увеличение поверхностной составляющей свободной энергии. Для этого требуются два условия:

1. Температура должна быть ниже температуры кристаллизации

2. Объем, самопроизвольно образующегося зародыша, должен быть достаточно большим.

Кристаллизация жидкости возможна при условии:

Величина переохлаждения чистых жидкостей малого объема, при которых активно образуются устойчивые зародыши кристаллов, достаточно велика  0,2 Тпл. Именно при таких переохлаждениях должна начаться кристаллизация. Но опыт показывает, что в действительности кристаллизация жидкостей начинается при существенно меньших переохлаждениях. что жидкости, как правило, содержат примеси. Наличие поверхностно-активных примесей, растворенных в жидкости, снижает поверхностное натяжение на границе раздела «кристалл-жидкость», и, тем самым, уменьшает объем критического зародыша. Наличие в жидкости нерастворенных частиц, обеспечивает появление готовых поверхностей раздела, от которых начинается кристаллизация.

5.Кристаллическая решетка.

Элементарная ячейка кристалла – та минимальная конфигурация атомов, кот. сохраняет свойства кристалла и при трансляции которой можно заполнить сколь угодно большой кристалл.

Координационное число – число ближайших соседей атома.

У
элементов четвертой группы ковалентная насыщенная и направленная связь, и у каждого атома четыре соседа. К=4. Элементарную решетку можно представить в виде тетраэдра с одним атомом в центре и четырьмя атомами по вершинам тетраэдра. Кристаллическую решетку с такой элементарной ячейкой имеют элементарный кремний, германий, углерод в модификации алмаза. Этот тип кристаллической решетки принято называть решеткой алмаза.

При образовании ионной связи кристаллические решетки получаются более компактными. К=6. NaCl:

При образовании металлической связи кристаллические решетки становятся еще более компактными. К=8 или К=12. ГЦК, ОЦК, ГПУ:

ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.

(5) Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.

В узлах кристаллической решетки располагаются атомы.

Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится.

Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.

Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки.

Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах

1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах.

1кХ=1,00202 А

На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.

В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.

Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.

2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом.

Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.

3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.

4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с.

В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.

Примеры:

ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe;

ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe;

ГПУ – бериллий … .

Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.

Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом.

На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке.

Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома.

Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12.

От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.

8. Дефекты кристаллических решеток.

Всякая система стремится к минимуму свободной энергии (F), где F является разностью между внутренней энергией системы U и связанной энергией системы ТS.

F = U - TS (1)

Внутренняя энергия системы является разностью между энергией атомов в дне потенциальной ямы и истинной энергией системы. Повышение температуры материала или появление упругих напряжений вследствие смещения атомов из равновесного состояния повышает энергию системы. Связанная энергия системы является произведением температуры (Т) на энтропию (S) системы, или меру ее беспорядка.

При смещении атома из равновесного положения, с одной стороны, возрастает внутренняя энергия системы, а с другой стороны, растёт связанная энергия, поэтому появление в кристаллической решетке дефектов может оказаться энергетически выгодным.

Все дефекты кристаллической решетки принято делить на две большие группы: геометрические дефекты и энергетические дефекты. При появлении в решетке геометрических дефектов кристаллическая решетка локально искажается. При наличии энергетических дефектов атомы остаются на своих местах, но энергия одного или группы атомов оказывается повышенной.

В свою очередь, геометрические дефекты принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Протяженность точечных дефектов во всех направлениях мала. Протяженность линейных дефектов велика в одном направлении и мала в двух других направлениях. Поверхностные дефекты имеют большую протяженность по двум направлениям и малую по одному, и объемные дефекты имеют большую протяженность по всем направлениям.

Точечные дефекты.

К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки.

Представление о вакансиях было впервые введено Я. И. Френкелем для объяснения процессов диффузии в металлах - материалах с плотноупакованной кристаллической решеткой.

При наличии в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий.

Согласно модели Френкеля, при образовании вакансий атом из узла кристаллической решетки перепрыгивает в междоузлие, и появляется пара дефектов - вакансия и межузельный атом, или пара Френкеля.

В материалах с ионной связью между атомами основным носителем заряда являются ионы. При появлении вакансий перемещение ионов облегчается, а следовательно, падает удельное электросопротивление. При появлении в материале примесей кристаллическая решетка искажается, энергия материала локально повышается, что способствует облегчению выхода иона из потенциальной ямы. Таким образом, появление любых точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью.

В материалах с ковалентной связью присутствие вакансий приводит к обрыву ковалентной связи и появлению на валентной оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью.

Присутствие неизовалентных примесей ведет к появлению в материале дырок или свободных электронов, то есть к повышению концентрации носителей заряда.

Линейные дефекты.

Дислокации - линейные дефекты кристаллической решетки.

Краевая дислокация. В кристалле имеется оборванная плоскость - экстраплоскость. Вблизи обрыва экстраплоскости остальные плоскости кристаллической решетки изгибаются. Таким образом, вблизи края экстраплоскости кристаллическая решетка искажена. Величина искажений кристаллической решетки быстро снижаются при удалении от края экстраплоскости, но сохраняется при движении вдоль линии обрыва.

Винтовая дислокация:

Особенности вектора Бюргерса:

вектор Бюргерса нонвариантен, то есть неизменен. Следовательно, дислокация не может оборваться в кристалле;

энергия упругих искажений решетки пропорциональна квадрату модуля вектора Бюргерса;

при движении решеточной дислокации с вектором Бюргерса, равным периоду трансляции решетки, кристаллическая решетка не изменяется.

При приложении внешних напряжений дислокации смещаются и выходят на поверхность кристалла, и таким образом осуществляется пластическая деформация.

Влияние дислокаций на свойства:

При полном отсутствии дислокаций прочность кристаллов была бы равна теоретической. Важно отметить, что при повышении плотности дислокаций в обычных материалах их прочность возрастает. Повышение прочности металлов в ходе холодной пластической деформации называют наклепом, или нагартовкой.

Наличие в материале дислокаций резко повышает скорость диффузии.

Искажение кристаллической решетки за счет присутствия дислокаций повышает удельное электрическое сопротивление металлических материалов и снижает удельное электрическое сопротивление неметаллических материалов.

Поверхностные дефекты.

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Дефект упаковки. При движении обычной полной дислокации атомы последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки. Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций.

В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.

Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Ширина границ зерен, как правило, составляет 1,5-2 межатомных расстояния. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена. Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллических решеток соседних зерен. При малых углах разориентации (до 5°) энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. При углах разориентировки, превышающих 5°, плотность дислокаций на границах зерен становится столь высокой, что ядра дислокаций сливаются.

Рис.20. Зависимость энергии границ зерен (Егр) от угла разориентации (). сп1 и сп2 – углы разориентации специальных границ.

При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается. Такие границы зерен называются специальными(Sn). Соответственно углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна, называют специальными углами.
Измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.

10. Понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии мех. св-в. Холодная пласт. деформация.

Упрочнение Ме при деформировании наз-ют наклепом. Наклеп Ме увел-ся до момента разрыва образца, хотя растягивающ. Нагрузка изменяется от Рmax до Рк. Это объясняется появлением местного утонения. В образце участки в которых сосредотачив. пластич. деформация. При значительности деформации в Ме появляется кристаллографическая ориентация зерен, кот наз-ся текстура деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристалич стр-ры Ме, наличия примесей и условий деформирования. При прокатке получ-ся более сложная текстура. В этом случае параллельно плоскости прокатки лежит кристаллогафич пл-ть и направление которой образует с напрвлением прокатки опред угол . Текстура деформации делает Ме анизотропным. Анизотропия – различие св-в кристаллов в различн направлениях. Все св-ва, кот зависят от сил в/д атомов спр-ся кристаллограф направл. Анизотропия резче выражена в кристаллах с несиметричной крист решеткой. В этом случае зависит от направления натл-ся для всех св-св. В рез-те ХПД и тех явл происх гуменен .

Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

11.Возврат.

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=aTпл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.

Холодная и горячая деформация.Холодная деф. проводиться при тем-рах ниже тем-ры рекристаллиз. и сопровождается наклёпом (наготовка).

Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией.

12. Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами. Графическое изображение фазовых равновесий в зависимости от температуры и состава принято называть диаграммой состояния.

Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жидкой фазы выделяются твердые фазы, которые могут быть твердыми растворами либо чистыми компонентами. Твердые растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания. Твердыми растворами замещения называют фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта. Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными). Твердыми растворами внедрения называют фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между атомами второго компонента  растворителя. Твердые растворы внедрения всегда ограниченны. Твердыми растворами вычитания называют фазы на основе химических соединений. В кристаллических решетках таких сплавов часть узлов не занята атомами того или иного сорта, то есть часть атомов как бы вычтена из кристаллической решетки, и в вместо них в решетке остаются вакансии.

Фазовые превращения:

Наиболее важными из фазовых превращений являются:

кристаллизация - переход жидкой фазы в твердую;

конденсация - переход газообразной фазы в твердую;

превращения структуры в твердом состоянии (изменение типа решетки - полиморфные превращения, изменение растворимости фаз при изменении температуры, мартенситное превращение, упорядочение твердых растворов и так далее);

изменение плотности дислокаций и размера зерен при нагреве деформированных материалов.

Любое фазовое превращение можно рассматривать как результат развития двух процессов: образования зародышей новых фаз и рост этих зародышей. Любое фазовое превращение можно рассматривать как результат развития двух процессов: образования зародышей новых фаз и рост этих зародышей.Термодинамической движущей силой любого фазового превращения является стремление системы к уменьшению свободной энергии F или изобарно-изотермического потенциала G.

15. Построение диаграмм состояния сплавов ,Критические точки, Изотермы свободной энергии.

Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус. а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). Для диаграмм этого типа компонент и фаза являются синонимами. Для диаграмм другого типа необходимо говорить только о фазах, поскольку компонент и фаза не являются синонимами. Механическая смесь, состоящая из двух или более фаз, одновременно кристаллизующаяся в жидкости называется эвтектикой. Ниже точки Д на диаграмме структура представляет собой чисто эвтектической.

Правило отрезков.

Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству. Правило фаз действует только в двухфазной области.

16.Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Дендритная ликвация.

Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Н. С. Курнаковым и получила название закономерностей Курнакова.

При изоморфности кристаллических решеток, близости строения валентных электронных оболочек атомов и малой разнице в размерах атомов в твердом состоянии элементы образуют неограниченные твердые растворы.

Диаграммы состояния и зависимость свойств от состава для случаев:

а), б) неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

в), г) отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии;

д), е) ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии.

Верхняя линия на диаграмме состояния представляет собой геометрическое место точек начала кристаллизации или конца плавления  линию ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в однофазном  жидком состоянии. Нижняя линия является геометрическим местом точек конца кристаллизации или начала плавления  линия солидус. Ниже этой линии все сплавы также в однофазном  твердом состоянии.

Когда компоненты полностью не растворяются друг в друге в твердом состоянии и растворимы в жидком состоянии, показана на рис. в). В данном случае линия ликвидус выглядит в виде ломаной, причем при некотором составе, называемом эвтектическим (от греческого слова эвтектикос - легкоплавкий), линия ликвидус касается линии солидус. Линия солидус представляет собой горизонтальную линию. Ниже линии солидус в сплава имеется две твердые фазы, являющиеся чистыми компонентами сплава. Поскольку компоненты не растворимы друг в друге, то свойства линейно меняются при изменении состава в соответствии с тем, как меняется количество фаз. Однако вблизи эвтектического состава наблюдается отклонение от линейного закона. Это связано с тем, что при кристаллизации эвтектических сплавов из жидкости одновременно выпадают две твердые фазы, и формируется мелкозернистая структура. Измельчение зерен ведет за собой увеличение электрического сопротивления и прочности эвтектических сплавов.

Ликвация – хим неоднородность состава в различных частях слитка. Дендритная ликвация - .хим неоднородность в пределах каждого дендрита.( В центре кристалла больше всего содержится твердых компонентов.Это измененим сотава внутри кристалла и наз дендритн ликв) Устраняется термообраб-кой и диффузионным отжигом (гомоденизация).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

17. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, компоненты в которой образуют ограниченные твердые растворы, при этом в зависимости от типа диаграммы, диаграммы подразделяются на диаграммы с эвтектикой и диаграммы с перитектикой.

Диаграммы с эвтектикой: компоненты А и В. Фазы: жидкость ,;- твердый раствор компонента В в компоненте А; - твердый раствор компонента А в компоненте В.

Линия АВС – ликвидус. ADCFB – солидус, т.к. компоненты вступают во взаимодействие в твердом состоянии с правой и с левой стороны диаграммы будут находиться так называемые области ограниченной растворимости.

Линия ДК- указывает на то, что растворимость компонента В в А увеличивается с повышением температуры. Растворимость В в А при комп. Температуре будет соответственна на диаграммы. При температуре плавления эвтектики точка Д на диаграмме. Противоположность растворимость компонента А в В не изменяется (линия FL) при комнатной температуре растворимость компонента А в В соответственна точке L при температуре плавления эвтектики в точке L. Горизонтальная линия DCF соответствует температуре, при которой происходит эвтектическая реакция.

Эвтектика – это механическая смесь двух или более фаз одновременно кристаллизующихся из жидкости. В точке С происходит чисто эвтектическая реакция, которая записывается как жидкость точки С распадается на  - твердый раствор точки Д и  - в точке F.

Кривые охлаждения.

С=К-Ф+1

С0-1=2-1+1=2 С1-2=2-2+1=1

Диаграмма с перлитом.

Компоненты А,В, жидкост, ,.

В отличие от эвтектической реакции при перитектической реакции жидкость взаимодействует с кристаллами выпавшей фазы с образованием кристаллов новой фазы.

Диаграммы состояния и зависимость свойств от состава для случаев: а), б) неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

в), г) отсутствия растворимости компонентов в твердом состоянии;

д), е) ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Для систем сплавов с ограниченной растворимостью характерны диаграммы состояния, показанные на рис. д). В таких системах имеются две области существования фаз, представляющих раствор одного компонента в другом, и область существования смеси двух фаз. При составах, соответствующих областям существования твердых растворов на основе какого-либо компонента, изменения свойств аналогично изменению свойств в системах с неограниченной растворимостью компонентов, а в областях составов, соответствующих двухфазным смесям, изменение состава ведет к изменению свойств, характерному для систем с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

18.Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения.

19.Связь между типом диаграммы состояния и свойствами сплава.

Строение сплава определяет его св-ва,поэтому важно знать как будет изменяться строение при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между структурой сплава,его составом и температурой определяется с помощью диаграммы состояния. Т.е. Диаграмма состояния (д.с.) представляет собой графическое изображение состояния сплава, показывает устойчивое состояние, (т.е. состояние ,которое при данных условиях имеет минимум свободной энергии,поэтому д.с наз-ют еще диаграммой равновесия. По д.с. можно определить для конкретного сплава температуру кристаллизации и превращений в твердом состоянии при заданной темп-ре, что позволяет примерно определить механические, физич и др свойства сплава; и справедливо назначить режимы т.о.(термоообраб),ОМ2,сваркой и т.д. Д.с. строятся по критическим точкам,полученным на кривых охлаждения сплавов данной системы. Критические точки при етом стараются получить при оч медленном нагреве или охлаждении,т.е. почти в равновесном состоянии.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

20.Упругая и пластическая деформация. Механизмы пластической деформации.Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае – по касательной.

Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

При чем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

21. Горячая деформация слитка.Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства металла.

Холодная деф. проводиться при тем-рах ниже тем-ры рекристаллиз. и сопровождается наклёпом (наготовка).Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=a*Tпл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

22. Деформационное упрочнение поликристаллов.

23.Компоненты,фазы и структурные составляющие в системе Fe-C (Fe-Fe3C)

выше линии АБСД-жидкость, Ф – феррит, А-аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледобурит (эвтектика,А+Ц,при низк температурах П+Ц). Компонента 2: жидкость + С, L+ Ц;

фазы: L, Ф, А, Ц, графит, П – эвтектоид (Ф+Ц,перлит)
Вид линий диаграммы Fe-C зависит от типа образующихся в процессе кристаллизации фаз и от того,какие превращения происходят при охлаждении твердого сплава. Поск-ку С обладает способностью в атомарном виде размещаться в крист решетке железа, то при затвердевании расплава могут образовываться твердые растворы внедрения на основе решеток 2х высокотемпературных модификаций железа: δ-Fe, (гамма) γ- Fe . Если углерода меньше 0,5 %,то в начале из расплава кристализ-ся δ – твердый раствор, который при последующем охлаждении перекристализ-ся в γ-тверд раствор. В сплавах, содержащих больше 0,5 % ,но меньше 4,3 %, из расплава сразу кристалл-ся γ-тверд раствор. Поскольку он так же как и δ – твердый раствор не может существовать при низких температурах,то γ-тверд раствор при охлаждении превращается в твердый раствор α (альфа). Т.о. сплавы железа с углеродом могут существовать кристаллы 3х тверд растворов: δ,γ и α, образующихся на основе 3х аллотропических модификаций чистого железа. Алоферрит тверд наз-ся ферритом и содержит больше 0,025 % углерода при темп 727 градусов. По своим св-вам он близок к чистому железу. γ-тверд раствор наз-ся аустенитом и он может содержать в себе до 2,14 % углерода. Помимо тверд раст-ров железа и углерода образуется тверд хим соед-ния Fe3C – карбид железа (цементит).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

24 25. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe3C)

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

Л – ледебурит

ЦI – цементит первичный.

Железо – металл, плавящийся при температуре 1539оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539 оС – 1392 оС железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392 оС – 911 оС железо имеет ГЦК решетку.

При температуре менее 911 оС железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768 оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.

Железо сравнительно мягкий металл: в=250 МПа, НВ 80.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.

На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.

На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.

Феррит – твердый раствор углерода в -железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии HIB при Т=1499 оС протекает перитектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодейст­вует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).

При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).

по лекции: Линии,образующие треуг-ки в левом углу связана с аллотропическим превращением железа и перекристализ-ей δ – тверд раствора в γ-тверд раствор. эта фаза-переход не играет почти никакой роли при тех обработке стали. Диагр сост-я Fe – Ц представляет собой как бы 2 совмещенные и немного сдвинутые одна относит-но другой диаграммы с ограниченной растворимостью. Верхняя диагр относится к процессам первичной кристал-ции выше линии ЕСF, а ниже – к процессам вторичной крист-ции, т.к. эти процессы происходят в тверд состоянии. Поск-ку С способен растворяться в решетке γ-Fe до 2,14 %,то при кристалл-ции жид сплавов,содержащих не более 2,4 % углерода, из жид-сти будут появляться кристаллы трерд раствора аустенита γ-Fe различной концентр-ции в зависимости от состава сплава. Линии ВС будет соответствовать началу кристалл-ции аустенита,а линия JЕ – концу кристалл-ции. При концентрации сплава более чем 2,14% С, т.е. правее точки Е, избыточный С уже не может размещаться в крист-кой решетке железа; образует кристаллы Fe3C. Т.о для сплавов,расположен-х правее т-ки Е, в результате кристалл-ции должна появл-ся мех смесь аустенита и цементита.Если состав сплава будет точно соответствовать 4,3% С, то при крист-ции при t=1147 одновременно будут возникать кристаллы аустенита и цементита,образуя эвтектическую смесь,наз-мую ледебуритом. Кристал-ция сплавов,лежащих по составу между точками Е и С, начнется с образования аустенита. В процессе охлаждения состав как жидкой так и твердой фазы будет меняться и при достижении t=1147 линии ЕСF состав жидкости будет соответствовать 4,3% С.а тверд фаза аустенита – 2,14%. Это положение справедливо для любых сплавов из линии ЕСF. На линии солидус ЕСF из жидкости будет кристаллизоваться ледебурит. Аналогично будет происходить кристалл-ция сплавов,лежащих правее тоски С ,с той лишь разницей,что вместо аустенита будет выделяться Цементит1; состав жид-сти будет меняться по кривой ДС, и при достижении t=1147 из оставш-ся жид-сти будет о5 кристал-ся ледебурит.Линия ЕСF наз эвтектической линией.

Сплавы железа и С, содержащие с менее чем 2,14% С, наз-ся сталями. Все стали при высокой температуре имеют структуру аустенита и, ввиду его хорошей пластичности, стали обабатыв-ся давлением.Если содержание С будет больше,чем 2,14%, то в струк-ре появл-ся хрупкая ледебуритная эвтектика, и обработка давлением обычными способами становится невозможной.Но существуют способы…Понижение температуры вызывает ряд превращений аустенита,вследствие которых он перестает существовать. Превращения происходят по-разному ,в зависимости от содержания С в сплаве.Если сталь содержит менее,чем 0,8 %,т.е. правее точки S , то при охлаждении до температуры,соответствующей линии GS, начинается перекристал-ция аустенита с образованием зерен перлита. Точка G на температурной оси чистого железа (911 градусов) соответствует температуре аллотропического превращения γ-Fe в α-Fe.Увеличение конц-ции С снижает температуру аллотропического превращения. По мере охлаждения сплавов кол-во феррита увелич-ся , а аустенита-уменьшается. Одновременно увел-ся концентр-ция С в аустените,что можно определить,используя правило отрезков;Но при этом увел-ся так же и соед-ние С и в феррите до 0,025%. Содержание С в аустените (А) будет 0,8%,а в феррите (Ф) – 0,025%.В А с С 0,8% при охлаждении до 727 гр одновременно происходит образование Ф, вследствие аллотропного превращения и образование Ц.Поск-ку С уже не может находиться в решетке железа в прежнем количестве,то образование смеси Ф и Ц происходит по тем же законам,что и эвтектические смеси, с тем же различием,чтов данном случае эта дисперсная механич смесь разнотипных кристаллов возникает из тверд,а не из жидкого состояния,поэтому такая мех смесь наз эвтектоидом. Эвтектоид,состоящий из мех смеси Ф и Ц, наз перлитом. Т.о образом происходит превращение и для сплавов, содержащих > чем 0,8%С, за исключением сплавов,лежащих левее точки Р,т.к. в етой области содержание С не превышает 0,025% и струк-ра будет представлять из ся Ф. При температуре ниже 727 гр РQ из перлита будет выделяться ЦIII 1%. Подобным образом превращения будут происходить в сплавах,лежащих правее точки Е. При охлаждении сплавов с 1147 до 727 гр концентр-ция С в избыточном А, не входящем в эвтектику и в А эвтектичного состава, будет изменяться в соответ-вии с линией ЕS, в результате чего образ-ся кристалл ЦII, а концентрация С снизится до 0,8% при 727гр,т.е. А приобретает перлитную конц-цию и превращ-ся в эвтектоид.На линии РSK 727гр образуется перлит и онаназ-ся перлитной линией. Точка С и S, в которых весь объем сплава превращается в эвтектику, наз-ся (С) эвтектической точкой и эвтектоидной (S).

Классификация сплава системы железо-Ц. Все сплавы данной системы делят на 3 большие группы: 1)технической железо;2)стали и 3)чугуны. Рассмотрим 2)стали – Fe с С, в котором содержание С больше предельной растворимости в α-Fe 0,025% и меньше его предельной растворимости в γ-Fe 2,14% между точками Р и Е. Принципиальное отличие технического железа от стали заключаеца в том,что в стали присутствует эвтектоидная смесь- перлит,а в тех железе его нет.

Стали в свою очередь делятся на 3 группы: 1)0,025-0,8% - в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и ЦII (заэвтектоидные стали).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

25. 3)чугуны – сплавы Fe с С , в которых соединение С больше его растворимости в γ-Fe,т.е. все что правее точки Е. принципиальное отличие чугунов от стали заключается в том,что в их струтуре находится эвтектоидная смесь- ледебурит, а в стали – нет. Исключение: в некоторых сталях содержане С м.б. больше 2,14%, - это стали ледебуритного класса.

Чугуны так же делятся на 3 группы: 1)2,14-4,3% С – состоит из П+Л -(доэвтектические); 2)4,3% С – только Л (ледебурит) – (эвтектические) самые легкоплавкие; 3)больше 4,3 % С – содержит ЦII+Л – (заэвтектические чугуны).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

26. Примеси в стали и влияние их на свойства стали.

 В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести,. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость.Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25oС.Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурахСера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2, Al2O3 ) нитридов (Fe 2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме мм рт. ст.Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями. 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

27. Классификация сталей по содержанию углерода,назначению и качеству.

Стали в свою очередь делятся на 3 группы: 1)0,025-0,8% - в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и ЦII (заэвтектоидные стали).

Углеродистые стали.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.

К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

Марганецвводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+MnMnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si2Fe+SiO2.

Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (800 оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+MnMnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 оС.

Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

!Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные. Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры — ус­ловный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода. В зависимости от условий и степени раскисления различают стали: 1) спокойные «сп» Ст1сп) 2) полуспокойные «ПС» (Стпc); 3) кипящие «кп» (Сткп). В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15—0,3 % Si и —0,002 % О2; в полуспокойных 0,05—0,15 % Si и —0,01 % 02 и в кипящих — не более 0,05 % Si и ~0,02 % О2. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затверде­вания в них содержится повышенное количество FeO. При засты­вании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 % , фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает пре дел прочности и текучести и снижается пластичность. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.). Кипящие стали (Ст1кп), содержащие повышен­ное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также рабо­тающих при низких климатических температурах применяют спо­койные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержа­нием углерода применяют для элементов строительных конструк­ций, не подвергаемых сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склон­ностью к деформационному старению. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализиро­ванное назначение (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим ус­ловиям. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита ' (высокой критической скоростью закалки)» поэтому после закалки мартенсит не образуется. Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание S<0,04%, P < 0,035-0,04 %, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макро- и микроструктура. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание угле­рода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высо­кой пластичностью. в = 330-340 МПа, 0,2= 200-210 МПа и δ = ЗЗ-31 % . Эти стали без термической обработки приме­няют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холодно­катаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штам­повки изделий. Стали 15, 15кп, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для от­ветственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях ма­шиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравне­нию с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (в = 500-5-610 МПа, 0,2= 300-360 МПа, δ = 21 -16 %). Стали в отожженном состоянии хо­рошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость ста­лей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их сле­дует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для по­вышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г). Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 % С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостой­костью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для-j деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких! статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные, валки и т. д.

Способы производства стали.

Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.

Бессемеровский способ в настоящее время практически не применяется в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом сталь насыщается азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.

В отличие от бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас). Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой кислый процесс проводят в том случае, когда нужно получить чистую по газам сталь.

Наиболее качественная сталь получается при выплавке в дуговых и индукционных печах.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали КП. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются ПС.

Углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества).

Потребителю с металлургических заводов стали поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по ГОСТу стали обыкновенного качества поставляли по трем группам:

А - с гарантированными механическими свойствами;

Б - с гарантированным химическим составом;

В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали маркировались : группа А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа Б - с указанием способа выплавки - БСт.1,МСт.1 , где

Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа В: - ВСт.1.

В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.

Классификация сталей по качеству:Стали обыкновенного кач-ва. Дешевые стали, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. они выплавляются по нормам массовой технологии. Стали обыкн. кач-ва выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.д.), а также поковок. В зав-ти от гарантированных св-в бывают трех групп: А, Б, В. Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающие номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначениях марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: спокойные – сп; полуспокойные – пс; кипящие – кп (Ст3сп; БСт3пс; ВСт3кп). Широко прим. Ст3. Стали группы А поставляются с гарантированными мех. св-вами. Хим. состав не указывается. Стали группы А используют в горячекатаном состоянии для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. Стали гр. Б поставляются с гарантир. хим. составом. Мех. св-ва не гарантируются. Их прим. для изделий, изготовляемых с прим. горячей обработки, при кот. исходная структура и мех. св-ва не сохраняются. Стали гр. В поставляются с гарант. мех. и хим. св-ми. Их широко прим. для произ-ва сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные мех. св-ва стали, т.к. они сохран-ся неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Углеродистые стали обыкн. кач-ва предназнач. для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Их прим. когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Из сталей номеров 1-4 изготавливают сварные фермы, рамы, и др. строительные металлоконструкции. Среднеуглеродистые стали номеров 5, 6 обладают большой прочностью, прим. для рельсов, ж.д. колес, а также валов, шестерен, шкивов.

Стали качественные и высококачественные

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей (0,03 S и P). Они поставляются в виде проката. Поковок др. полуфабрикатов с гарантированным хим. составом и мех. св-вами. Маркируются двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20,…,85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях % (ГОСТ 1050-88). Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные – пс, кипящие – кп. Если сталь высококач-венная, то в конце ставится буква А (Сталь45А). Содержание S и P не более 0,02%. Кач-венные стали находят многостороннее применение в технике, т.к. в зав-ти от содерж. С и термической обработки обладают разнообразными мех. и технологич. св-вами. Стали 05, 08, 10 – малопрочные, высокопластичные, их прим. для холодной штамповки различных изделий. Без т/о в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и т.д. Стали 15, 20, 25 – цементуемые, для деталей небольшого размера: кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

28.. Классификация чугунов. Влияние формы выделений графита на свойства чугуна. Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном. При­сутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или гра­фита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий. 1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав Fe—Si—С, содержащий в качестве постоянных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная осо­бенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения ми­крошлифа форму пластинок. В зависимости от содержания углерода, связанного в цемен­тит, различают: 1. Белый чугун в котором весь углерод нахо­дится в виде цементита Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. 2. Половинчатый чугун, большая часть угле­рода (>0,8 %) находится в виде Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит . 3. Перлитный серый чугун структура чугуна— перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7—0,8 % С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.; 4. Ферритно-перлитный серый чугун. Структура такого чугуна - перлит, феррит и пластинча­тый графит. В этом чугуне в за­висимости от степени распада эвтектоидного цементита в связан­ном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С 5. Ферритный серый чугун. Структура — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита. При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производ­ственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассма­тривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры В этом случае механические свойства будут зависеть от количества величины и характера распределений включений графита Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных вы­делении, разделяющих его металлическую основу, имеет грубо­зернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными графитными выделениями обладает более высо­кими свойствами. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, времен­ное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Отно­сительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (~0,5 %). Графитные включения мало влияют на снижение пре­дела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и раз­рушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая на­грузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его струк­туры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, ра­ботающих на сжатие. 2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кри­сталлизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным кон­центратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферро­силицием. Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие ме­ханические свойства, не уступающие свойствам литой углероди­стой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обра­батываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % С 3. ковкий чугун Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы струк­туры чугуна. Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

29. Сверхпластичность металлов и сплавов. Под сверхпластичностью понимают способность металла к незначительной пластической деформации (=102-103%) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10° — 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности. 1. Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации2 (10-5 — 10-1 с-1). 2. Субкритическая (свёрхпластичность превращения), наблю­дающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных. Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности. Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в опреде­ленных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чув­ствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации :  = km, где k — коэффициент, зависящий от струк­туры и условий испытания; т — показатель скоростной чувстви­тельности напряжения течения. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации т > 0,3 (обычно 0,4—0,7). Когда при сверхпластической деформации начинается образо­вание шейки, в этом участке образца возрастает  и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяже­нии образца. Структурная сверхпластическая деформация протекает глав­ным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в опре­деленной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение. Проблема создания промышленного структурного сверхпла­стичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической дефор­мации. Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1:1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверх­ности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминиевый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые а α+β-сплавы, двухфазные – α+γ’-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из α-раствора и дисперсных частиц Al3Zr, и некоторые другие. Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрев штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

30. Механические свойства металлов, определяемые при статических, динамических и циклических испытаниях. Под механическими свойствами понимают характери­стики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (спла­ва) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пла­стичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала. При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критриев. 1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии нахо­дятся путем стандартных испытаний гладких образцов на рас­тяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания). Прочностные и пластические свойства, определяемые при ста­тических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных усло­виях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по Форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной. 2. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях, эксплуатации. Критерии конструктивной прочности металлических материа­лов можно разделить на две группы: а) критерии, определяющие надежность металлических ма­териалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)- В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические ис­пытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуата­ции (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микро несплошности сильно ме­няют поведение металла под нагрузкой, так как являются кон­центраторами напряжений; б) критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление корро­зии и т. д.).

Критерии оценки прочности конструкции в целом (кон­струкционной прочности), определяемые при стендовых, натур­ных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях вы­является влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металло­изделий и т. д. Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

В первоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжении пц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается. пц – получила название предел пропорциональности, который равен: пц=Рпц/Fо, Мпа При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический): т=Рт./F о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пре­делом текучести. 02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%; в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца. Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:  - относительное удлинение;  - относительное сужение К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость опре­деляют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

31.Основными видами термической обработки, различно изме­няющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависи­мости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отлив­кам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.1. ОТЖИГ I РОДА Отжиг I рода в зависимости or исходного состояния стали и температуры ею выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости ,, снятия остаточных напряжений. Характерная особенность итого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения (а - у) или нет, Поэтому отжиг 1 рода можно про­водить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А1 и А3). Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неодно­родность, созданную предшествующими обработками. Бывает: Гомогенизация (диффузионный отжиг). Рекристаллизацконный отжиг . Высокий отпуск (для уменьшения твердости) Отжиг для снятия остаточных напряжений. 2. ОТЖИГ II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера­тур выше точек Ас1 или Ac3, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (γ - а-превращение), определяющие структуру и свойства стали. Понижая прочность и твер­дость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Измельчая зерно снимая внутренние напряжения Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный. 3. ЗАКАЛКА Закалка — термическая обработка — заключается в на­греве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и а1—для заэвтектоидной сталей) или температуры рас­творения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлажде­нии со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после за­калки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твер­дости, получения достаточно высокой пластичности и вязко­сти, а для ряда деталей также высокой износостойкости. Бывает Непрерывная, Прерывистая, Закалка с самоотпуском, Ступенчатая закалка, Изотермическая, обработка стали холодом.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

32.Превращения в стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали

Если эвтектоидную сталь, содержащую 0,8% углерода и имеющую структуру перлит нагреть выше Аc1 (7270С), то перлит превратится в аустенит с тем же содержанием углерода (0,8%).

Если доэвтектоидную сталь, содержащую, например, 0,4% углерода и имеющую структуру феррит + перлит, нагреть выше Аc1, то перлит превратится в аустенит. Феррит никаких изменений не претерпевает. Аустенит содержит 0,8% углерода, а феррит - 0,02% (точка P). По мере повышения температуры в интервале Аc1-Аc3, феррит будет растворятся в аустените и как бы "разбавлять" его по углероду и в момент достижения температуры Аc3 аустенит будет содержать 0,4% углерода, то есть столько, сколько углерода в стали.

Если заэвтектоидную сталь, содержащую, например, 1% углерода и имеющую структуру перлит + цементит, нагреть выше Аc1, то перлит превратится в аустенит с содержанием 0,8% углерода. Цементит никаких изменений не претерпевает и содержит 6,67% углерода. Дальнейший нагрев в интервале Аc1-Аc3 приводит к тому, что цементит будет растворятся в аустените и дополнительно насыщать аустенит углеродом. В момент достижения температуры Аcm аустенит будет содержать 1% углерода, то есть то количество углерода, которое в стали.

Линия 4 - линия начала превращений А в П. Между линиями 4 и 1 одновременно сосуществуют перлит и аустенит. В области между линиями 1 и 2 – аустенит + карбиды. В области 2, 3 - карбиды растворяются в аустените, но аустенит представляет собой твердый раствор с неравномерно распределенными атомами углерода, распределенными по всему объему. Выше линии 3 происходит гомогенизация аустенита – линия начала превращения 4 горизонтальна, потому что нагрев распространяется, поэтому температура превращения практически не изменяется. Скорость превращения зависит от степени перенагрева относительно точки АС1 при перенагреве 1000 превращение перлита в аустенит протекает практически мгновенно, что не позволяет фиксировать стадии, отраженные на представленной диаграмме изотермического образования аустенита.

Рост зерна аустенита при нагреве.

В момент превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких зерен аустенита. При дальнейшем повышении температуры зерно аустенита начинает расти. Это обусловлено стремлением системы к уменьшению свободной энергии.

Различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Под наследственной зернистостью понимают склонность аустенитного зерна к росту, отсюда мелкозернистые стали обладают меньшей склонностью аустенитного зерна к росту в отличие от крупнозернистых сталей. Однако при достижении температур 900-950 0 С барьеры, предшествующие росту зерна в наследственно мелкозернистых сталях устраняются, и происходит более интенсивный рост зерна по сравнению с крупнозернистыми сталями. При превращении перлита в аустенит выделяют начальное зерно – размер зерна в момент превращения П в А. Наследственное зерно – склонность аустенитного зерна к росту. И действительное зерно – размер зерна, полученный при конкретных условиях. На свойства стали оказывает влияние момент действительного зерна. С увеличением размера зерна характеристики прочности, и особенно ударная вязкость снижается, а увеличиваются магнитные и электрические свойства и наоборот.

Перегрев и пережег.

Если сталь выдерживать длительное время при высоких температурах, происходит интенсивный рост зерна. Это явление получило название – перегрев. Перегрев можно устранить дополнительной термической обработкой, заключающейся в повторном нагреве стали выше А1. В результате зерно измельчается, свойства стали возрастают. Если сталь длительное время выдерживать при температуре АС3 в окислительной атмосфере, то происходит образование окислов железа по границам зерен. Это так называемый пережег. Это не устранимый дефект, сталь необходимо переплавлять.

26

1. Понятие о металлах. Природа металлической связи. Основные свойства металлов. Роль русских ученых в развитии науки о металлах.

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства материалов(или металлов?), устанавливает связь между их составом, структурой и свойствами. Первые зачатки этой науки были заложены великим русским металлургом П.П.Аносовым (1799-1851). Он работал на заводе в г.Златоусте. Он впервые использовал микроскоп, разрабатывал способ производства качественной стали, раскрыл секрет качественной стали. Дмитрий Константинович Чернов: 1868- первый доклад (при нагреве сталь меняет свою структуру). Его назвали отцом металлургии. Создал диаграмму состояния углерода. Александр Александрович Бочва(?): в 1934 амер. Перс. Обнаружил аномальную пластичность сплавов (Al-Zn), ввел термин «сверхпластичность».

Металлы – вещества, обладающие характерным блеском, в той или иной степени присущей всем Ме, и пластичностью. Кроме того все Ме обладают высокой электро- и теплопроводностью, положительным температурным коэффициентом линейного расширения, термоэлектронной эмиссией, около 30 Ме сверхпроводимостью. Особенность строения - все построены из таких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это наличие свободных электронов и обуславливает высокую электро- и теплопроводность. Для Ме характерно наличие металлической связи, когда положительно заряженные ионы образуют плотную, но пластичную кристаллическую решетку. При металлической связи возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Ионы в твердых металлах располагаются на таком расстоянии друг от друга и в таких точках пространства, в которых силы притяжения и отталкивания взаимно уравновешиваются, но каждый металл имеет определенную прочность и не рассыпается, так как силы притяжения преобладают над силами отталкивания. Наличие металлической связи объясняет многие свойства металла: каждый Ме состоит из одинаковых атомов, поэтому расстояния между этими точками пространства в разных направлениях должны быть одинаковыми и для каждого Ме своими. Это приводит к тому, что атомы и «+» ионы располагаются в пространстве закономерно, образуя правильную кристаллическую (пространственную) решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

2. Газообразное, жидкое и твердое состояния. Термодинамическая функция энергетического состояния системы.

3. Кристаллизация металлов. Изменение свободной энергии при кристаллизации. Критический зародыш.

Подавляющие большинство металлов получают путем кристаллизации из жидкого состояния.

При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

В процессе кристаллизации закладываются основные особенности поликристаллического состояния металла. В процессе кристаллизации формируется реальная структура, характеризующаяся низкими экскурсионными свойствами металла, которые потом исправляются обработкой давлением или термической обработкой, а так же их сочетанием. Состояние любого вещества определяется температурой и давлением. При постоянном давлении, если детали находятся на земной поверхности, где единственным изменением параметром вещества будет температура, которая влияет на состояние вещества не непосредственно, а через термодинамические характеристики. F- основанная характеристика состояния вещества, называемая энергией Гиббса, которая представляет собой ту часть ионной энергии вещества, которая может изменяться в различных процессах и может превращаться в работу.

F = U – TS + PV, где U – полная внутренняя энергия вещества, Т – абсолютная температура, S – энтропия (вероятность пребывания вещества в данном состоянии)или показывает число способов, которыми система может придти в данное состояние, P – давление, V – объем. Свободная энергия с увеличением температуры уменьшается по кривой, так как теплоемкость жидкого состояния больше теплоемкости твердого состояния одного и того же вещества одинакового состава. При какой то t0 свободная энергия жидкого состояния и твердого будут равны и могут существовать сколь угодно долго. При повышении t> t0 вещество плавится, при понижении – кристаллизуется. В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, но в тоже время в их расположении нет той правильности, которая характерна для сложного кристаллического тела. Когда атомы сохраняют постоянные межпластинчатые расстояния и угловые соотношения на больших расстояниях, то это называется дальним порядком.

Микрообъемы, возникшие с правильным расположением атомов в жидком сплаве могут существовать некоторое время, а потом они рассасываются и возникают вновь в других местах. С понижением t размеры этих микрообъемов увеличиваются и постепенно металл кристаллизуется. Зародыши, возникшие в процессе кристаллизации могут быть разной величины. Зародыш может расти только в том случае, если он достиг определенной величины, начиная с которой его рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях называется критическим размером зародыша.

4. Параметры кристаллизации и их зависимость от степени переохлаждения. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Форма и размеры растущих кристаллов. Строение слитка. Аморфное состояние металла.

Температура, при которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения.

На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет температуру TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.

В 1911 году русский исследователь Георг Таммен , изучая процесс кристаллизации определил следующие параметры:

а) процесс зарождения центров кристаллизации (характеризуется числом центров в 1 см3/сек);

б) рост кристалла, который численно определяется линейной скоростью роста кристалла, т.е скоростью перемещения грани кристалла параллельно самому себе (мм/сек).При Т=Т0, энергия Гиббса равна свободной энергии, поэтому кристаллизации не идет. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс кристаллизации был термодинамически выгоден все системе и сопровождался уменьшением свободной энергии. Это будет происходить тогда, когда жидкость будет охлаждена <Т0. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации – переохлаждение. Те же причины обуславливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может быть может происходить лишь тогда, когда температуры будет выше Т0. Это явление - перенагревание. Величиной (степенью переохлаждения) называют разность между теоретической (1) и фактической (2) темп перекристаллизации.

τ

Наличие горизонтальной площадки объясняется тем, что отвод тепла компенсируется выделяющимися при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Величина переохлаждения влияет на число центров и скорость роста кристаллов. Чем больше скорость, тем выше степень переохлаждения. При очень высоких степенях переохлаждения металл имеет аморфную структуру (безкристаллическую). Аморфные материалы более прочные, имеют ряд специальных свойств (очень хорошо работают в атомной энергетике). Но если этот материал нагреть до определенной температуры, то получается обычный металл с обычными свойствами.

Структура литого слитка:

При кристаллизации жидкого металла макс степень переохлаждения - при контакте со стенками изложницы. По мере понижения температуры отвод тепла наблюдается нормально поверхности стен.

1 – зона микрозернистых кристаллов

2- зона столбчатых кристаллов

Отвод тепла затруднен во все стороны, то образуется зона крупных равноосных зерен

В процессе кристаллизации имеет место усадка металла. Процесс кристаллизации слитка должен быть таким, чтобы кристаллизация в последнюю очередь заканчивалась в верхней части слитка и усадочная раковина оказалась в верхней части, которая затем удаляется (отрезается) и идет на переплавку.

6. Явление полиморфизма в металлах.

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизации n и скоростью их роста m . В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

В частности железо имеет 2 модификации: α-Fe – до 911 0С, от 911 – 13920С – γ- железо (ГЦК). Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов (Fe, Co, Zr , Pb). Быстрое охлаждение иногда может сохранить высокотемпературную модификацию при 25-30 С в течение длительного времени, т.к при этих температурах очень низкая диффузионная подвижность атомов не позволяет произвести их перестройку. При нагреве до 2000 С и давлением до 1010 Па углерод полиграфита перекристаллизовывается в алмаз.При очень больших давлениях в Fe обнаруживается низкотемпературная модификация Fe с ГПУ решеткой. Увеличение давления приводит к превращению менее упакованной структуры в более плотную.

Справка:

Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках. Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку.

5. Атомно-кристаллическая структура металла. Элементарная кристаллическая ячейка. Классы симметрии.

При рассмотрении кристаллической решетки принимают следующие условия:

1) кристалл бесконечен;

2) кристаллы образованы атомами;

3) центры атомов будем называть узлами кристаллической решетки;

Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках(ячейках). Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку. Отрезки, при переносе через которые кристалл совмещается сам собой, называется периодом (параметром) кристаллической решетки. Для описании кристалл. В целом необходимо знать знать периоды, через которые решетка совмещается и знать углы этих направлений. В зависимости от соотношений углов и периодов образуется 7 симгоний (одинаковых углов).

Кубическая симгония : а=в=с, α = β= γ= 900

Тетрагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α = β= γ= 900

Гексагональная: а=в, но не равно с. с/а>1, α= β= 900, γ= 1200.

У металлов 2 симгонии: кубическая (Fe, Al, Cu, Ni, W, Mo, Au, Ag), тетрагональная реже (олово), гексагональная (Ti, Mg, Zn, Cd, Zr).

Кубическая симгония:

1) примитивная: металлы не имеют такой решетки, a=2R ( атомы соприкасаются, R – радиус атомов);

2) ОЦК: большая диагональ равна 4R;

3) ГЦК: диагональ равна 4R ( атомы на пересечении диагоналей каждой грани) .

Каждая решетка имеет свое координационное число – число атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем оно больше, тем плотнее. Плотность упаковки – отношение объема, занимаемого атомами данной решетки к объему все решетки. Для определения атомных плоскостей в пространстве, т.е плоскостей, проходящих через атомы, пользуются индексами. NKL – индексы Мюллера, они представляют собой 3 целых рациональных числа, по величине равных обратным отрезкам, отсекаемых данными плоскостями на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам ребер элементарных ячеек.

Анизотропия – свойства разные. Она реще выражена у металлов с гексагональными решетками, т.е она менее симметрична. В этом случае в зависимости от направления для всех свойств ( тепловых, электрических и т.п) В основе анизотропии лежит то, что межплоскостные расстояния и плотность расположения (упаковки) атомов зависит от направления в кристалле, т.к сила связи атомов зависит от расстояния между плоскостями. Реже анизотропия проявляется в монокристаллах, полученных искусственным путем. В промышленности чаще используют поликристаллы. (чем меньше зерно, тем свойства лучше и прочнее). В случае поликрист. Строения металла анизотропии нет, т.к среднестатист. расстояние между атомами по всем направлениям оказываются примерно одинаковыми.

7. Строение реальныхкристаллов. Большеугловые и малоугловые границы.

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

* - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

1)по Шотки

2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом;

Возможно образование примесных атомов. Они могут проникать внутрь кристаллической решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

3) поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

4) объемные дефекты.

8. Дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

* - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

1)по Шотки

2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом;

Возможно образование примесных атомов. Они могут проникать внутрь кристаллической решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

В деформированных = 106...108см-2

Этот вектор определяется с помощью контура Бюргерса, который проводится через атомы в решетке в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если контур проводится в совершенной решетке, то он является замкнутым прямоугольником, в котором последний из векторов приходит в начальную точку. Если же контур охватывает дислокацию, то он имеет разрыв, величина и направление которого определяет вектор Бюргерса дислокации. Из схемы видно, что вектор Бюргерса краевой дислокации ориентирован перпендикулярно линии дислокации – это отличительная особенность краевой дислокации. Вектор Бюргерса винтовой дислокации ориентирован параллельно линии дислокации. Краевая дислокация, у которого линия полуплоскость расположена в верхней части кристалла, называется положительной, и обозначается перевернутая т, если внизу, то отрицательная и обозначается Т.

Движение дислокации в кристалле:

Дислокационная линия имеет разные формы и направления. Как правило она находится в плоскостях плотнейшей упаковки с большим межплоскостным расстоянияем. Результатом прохождения через кристалл дислокации является сдвиговое смещение на вектор Бюргерса. Направление в наиболее плотной упаковки называется направлением скольжения. Дислокация, в которой вектор Бюргерса лежит в плоскости скольжения называется подвижными или скользящими. Подвижные дислокации могут сравнительно легко проходить через кристалл. При их движении не требуется переноса материала, т.е движение атомов на расстояние, большее межпластинчатых, такое движение называют консервативным. Консервативное движение – силовое, оно требует усилий. Дислокации при этом легко подвижные. Металлы, у которых больше плоскостей скольжения, являются более пластичными. Дислокации бывают сидячими. Их особенностью является то, что вектор не лежит в плоскости скольжения. Перемещение таких дислокаций возможно лишь за счет подвода атомов с края экстра плоскости или за счет испарения атомов с ее края. Это движение является неконсервативным.

В результате появления напряжения появляется сила, действующая на дислокацию.

F=τ * b, где τ – напряжение, b – вектор Бюргерса.

Энергия дислокации.

Дислокация обладает собственным упругим полем и вносит изменения в упругое поле кристалла. Это определяет многие свойства кристалла, такие как взаимодействие с решеткой, друг с другом, с точечными дефектами и т.д. Существует понятие плотность дислокации – длина дислокации в 1 см3. При плотности 106…108 см-2 энергия дислокации будет равна W=b2*G на длине, равной одному межпластинчатому расстоянию, G - модуль сдвига. ρ = дельта L/ V см-2. плотность может быть определена как число дислокаций, пересекающих единицу площади.

9. Роль дислокации в упрочнении металлов. Способы повышения прочности металлов и сплавов.

Велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря дислокациям экспер. Определ предел текучести Ме в 1000 раз больше теоретич значения. При значит увелич плотности дислок и уменьшении их подвижности прочность увел в неск-ко раз по сравнению с отожженным состоянием. Плотность бездефектных участков приближ к теоретич. В полупр дислок влияют на электрические и другие св-ва считают электрич сопротивление. Уменьш время носителей значение дисл особенно возрастает в микроэлектронике, где применяют тонкие пленочные кристаллы, и дисл играют роль тонких проводящих каналлов, вдоль которых легко перемещ-ся атомы примеси. Причины упрочнения:

Увеличение плотности дислок(происходит уменьшение их свободн длины прбега, возник напряж, увелич прочн-и, твердости матер)

Выпадение субмикроскоп элементов по плоскостям скольжения.

Дислакац барьеры

ХПД за счет уплотнени дислокаций

Легир-ть (тв раствор внедрения дисл упрочн.)

Справка:

Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

В деформированных = 106...108см-2

10. Понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств.

Упрочнение Ме при деформировании наз-ют наклепом. Наклеп Ме увел-ся до момента разрыва образца, хотя растягивающ. Нагрузка изменяется от Рmax до Рк. Это объясняется появлением местного утонения. В образце участки в которых сосредотачив. пластич. деформация. При значительности деформации в Ме появляется кристаллографическая ориентация зерен, кот наз-ся текстура деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристалич стр-ры Ме, наличия примесей и условий деформирования. При прокатке получ-ся более сложная текстура. В этом случае параллельно плоскости прокатки лежит кристаллогафич пл-ть и направление которой образует с напрвлением прокатки опред угол . Текстура деформации делает Ме анизотропным. Анизотропия – различие св-в кристаллов в различн направлениях. Все св-ва, кот зависят от сил в/д атомов спр-ся кристаллограф направл. Анизотропия резче выражена в кристаллах с несиметричной крист решеткой. В этом случае зависит от направления натл-ся для всех св-св. В рез-те ХПД и тех явл происх гуменен .

Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле. Под анизотропией понимают различие св-в по различным направлениям в металле. Выше св-ва в направлении пластической деформации (действующей нагрузки).

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Изменение стр-ры при дорекристаллизационном отжиге.

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

11. Возврат, полигонизация, рекристаллизация металлов и сплавов.

Возвратявл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=aTпл , а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационным отжигом. Рекрист. отжиг проводиться как межоперационная обработка после операций холодной пластической деформации.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить.

12. Строение сплавов. Система, компонент, фаза.

Сплав – макроскопическое однородное тело, состоящее из двух или нескольких веществ, обладающих характерными свойствами, присущими металлическому состоянию.

Сплавом называют результат сплавления двух или более компонентов. Компоненты – вещества, входящие в состав сплава. В качестве компонентов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Компоненты, находящиеся в состоянии физико-химического взаимодействия образуют термодинамическую систему, при этом в системе возникают как жидкие, так и твердые фазы. Фаза – однородная часть термодинамической системы, одинаковая по всем свойствам, независящим от массы. Фазы отделены друг от друга поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно. Система может быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:

1) при сплавлении компонентов с большим различием в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты сплава в твердом состоянии в любой пропорции ( или не в любой) растворяются друг в друге, тогда образуется гомогенный сплав, содержащий лишь один сорт кристаллов, называемых кристаллами твердого раствора.

3) Компоненты при определенном соотношении образуют соединения, кристаллическая решетка которых отличается от крист. решетки исходных компонентов. Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами.

13. понятие о гетерогенной структуре, твердом растворе и химическом соединении. Виды твердых растворов.

Система может быть гомогенной и состоять лишь из одной фазы, или гетерогенной, если состоит их 2 или нескольких фаз. Система может быть 1, 2-х и многокомпонентной (сталь = железо, углерод). Компоненты могут входить во все или в отдельные фазы и могут перераспределяться из одной фазы в другую при определенных условиях. Если это положение действительно для всех компонентов и в отношении всех фаз, то система равновесна. Некоторые металлы могут неограниченно распространяться друг в друге в жидком состоянии. При образовании сплавов из компонентов, растворенных друг в друге в жидком состоянии возможны следующие случаи:

1) при сплавлении компонентов с большим различием в атомных радиусах и значительном различии электрохимических свойств, их взаимодействие, растворенность очень мала. В твердом состоянии компоненты из жидкого раствора растворяются с образованием собственных кристаллов. В этом случае сплав представляет собой гетерогенную смесь крист. различного сорта. Абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных металлах не существует.

2) компоненты сплава в твердом состоянии в любой пропорции ( или не в любой) растворяются друг в друге, тогда образуется гомогенный сплав, содержащий лишь один сорт кристаллов, называемых кристаллами твердого раствора.

3) Компоненты при определенном соотношении образуют соединения, кристаллическая решетка которых отличается от крист. решетки исходных компонентов. Эти соединения химического типа называют интерметаллическими соединениями или промежуточными фазами.

Твердые растворы – твердые однородные кристаллические фазы переменного состава, состоящие из двух или более числа компонентов, сохраняющих однородность при изменении соотношения между этими компонентами. В этих фазах атомы различных компонентов образуют общие кристаллические решетки, свойственную растворителю. Между химическими элементами могут образовываться твердые растворы 2-х типов: замещения и внедрения.

Тв. растворы замещения образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.

2) Растворенный компонент.

Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий:

а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 %

в) Сплавляемые компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.

Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения.

Твердые растворы вычитания.

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

Промежуточные фазы или интерметаллические соединения:

1) упорядоченные твердые растворы или сверхструктуры;

2) фазы Лависа;

3) электронные соединения;

4)фаза внедрения;

Упорядоченные твердые растворы – это растворы, когда при определенных стехиометрических соотношениях имеет место упорядочение, т.е атомы занимают строго определенное место в кристаллической решетке; при упорядочении меняются параметры решетки.

Фаза Лависа – характеризуется тем, что образуются соединения типа АВ2. В зависимости от вида соединений один и тот же элемент может играть роль А или В (MgCu2, CuBe2), соотношение радиусов Ra/Rb=1, 223.

Электронные соединения – фазы переменного состава, образуются между элементами из следующих групп: с одной стороны- медь, серебро, золото, железо, кобальт, никель, палладий, платина, а с другой стороны – бериллий, цинк, кадмий, олово, кремний. Определенное соотношение валентных электронов: 7/4, 3/2, 21/13.

Фазы внедрения – соединения неметаллические, с переходными металлами. Состав описывается следующими формулами: Ме4Х, Ме3Х, Ме2Х, МеХ, МеХ2.

14. Правило фаз Гиббса и правило отрезков.

Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры и давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах определяется правилом Гиббса. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степени свободы, числом компонентов и числом фаз. С = К + 2 – Ф, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления. Под числом степени свободы понимают зависимость изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если С =0, то система безвариантна, то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если С = 1 – моновариантная система, то возможны изменения одного из перечисленного фактора (давления или темп), и это не вызовет изменения числа фаз. При С = 2 система бивариантная. Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовым превращением любого состава и указать состав и конечное соотношение фаз при любой температуре при помощи двух простых правил:

1) правило определения состава:

Через данную точку проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на горизонтальную ось диаграммы покажут состав жидкой фазы и твердой фазы.

2) правило определения количества фаз ( правило отрезков) :

для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.

3) поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

15. построение диаграмм состояния сплавов. Критические точки. Изотермы свободной энергии.

Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как будет изменяться строение при изменении t и состава сплава. Зависимость между структурой сплава, его температурой, составом описывается с помощью диаграмм состояния. Другими словами диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состава сплава. Диаграмма состояния показывает устойчивое состояние, т.е состояние, которое при данных условиях имеет минимум свободной энергии, поэтому диаграмма состояния – диаграмма равновесия. По диаграмме состояния можно определить для конкретного сплава температуры кристаллизации и превращение в твердое состояние при заданной температуре, что позволяет примерно определить механические, физические и другие свойства сплавов и правильно назначить режимы ТО, ОМД, сварки. Диаграмма состояния строится по критическим точкам, получаемых на кривых охлаждения сплавов данной системе. Критические точки при этом стараются получить при очень медленном нагреве или охлаждении, т.е почти в равновесном состоянии.

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом и жидком состоянии, не образующих химических соединений.

А* - t плавления чистого компонента А

В* - t плавления чистого компонента В

А*mВ* - линия ликвидус, окончание плавления при нагревании , начало кристаллизации – при охлаждении, выше этой линии жидкое состояние,

А*nВ* - солидус. Начало плавления – при нагревании, конец кристаллизации при охлаждении, ниже этой линии твердый раствор.

Фазы две – жидкость и твердый раствор. Эта диаграмма возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковую кристаллическую решетку и их параметры отличаются на 10 – 15 % Диаграмма состоит из двух линий, ликвидус и солидус пересекаются в точке кристаллизации. Эти диаграммы типичны для системы медь – никель, молибден – ванадий, молибден – волфрам и т.п Жидкий раствор начинает кристаллизоваться при t плавления t1. Из жидкости начнут выпадать кристаллы, обогащенные более тугоплавкими компонентами В, т.е их состав XL, при этом оставшаяся жидкость будет обедняться этим компонентом В.при достижении t2 из жидкости буду выделяться кристаллы ХВ, а жидкость при этой температуре будет ХА. При достижении температуры t будет разный состав. При достижении t3 оставшаяся жидкость будет иметь состав ХF.Состав жидкости меняется по линии В*mА* от t1 до f, а состав твердой фазы по B*nA*от l до t3.етка,изма

18

ВОПРОСЫ

Для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению.

1. понятие о металлах. Природа металлической связи. Основные свойства металлов. Роль русских ученых в развитии науки о металлах.

2. газообразное, жидкое и твердое состояния. Термодинамическая функция энергетического состояния системы.

3. кристаллизация металлов. Изменение свободной энергии при кристаллизации. критический зародыш.

4. параметры кристаллизации и их зависимость от степени переохлаждения. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Форма и размеры растущих кристаллов. Строение слитка. Аморфное состояние металла.

5. атомно-кристаллическая структура металла. Элементарная кристаллическая ячейка. Классы симметрии.

6. явление полиморфизма в металлах.

7. строение реальных кристаллов. Большеугловые и малоугловые границы.

8. дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

9. Роль дислокации в упрочнения металлов. Способы повышения прочности металлов и сплавов.

10. понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств.

11. возврат, полигонизация и рекристаллизация металлов и сплавов.

12. строение сплавов. Система, компонент, фаза.

13. понятие о гетерогенной структуре, твердом растворе и химическом соединении. Виды твердых растворов.

14. правило фаз Гиббса и правило отрезков.

15. построение диаграмм состояния сплавов. Критические точки. Изотермы свободной энергии.

16. диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Дендритная ликвация.

17. диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компанентов в твердом состоянии и эвтектикой.

18. диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения.

19. связь между типом диаграммы состояния и свойствами сплава.

20. упругая и пластическая деформации. Механизмы пластической деформации. Системы скольжения.

21. горячая деформация слитка. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства металла.

22. деформационное упрочнение поликристаллов.

23. компоненты, фазы и структурные составляющие в системе Fe-C (Fe-Fe3C).

24. диаграмма состояния Fe-Fe3C (стали).

25. диаграмма состояния Fe-Fe3C (чугуны).

26. примеси в стали и влияние их на свойства стали.

27. классификация сталей по содержанию углерода, назначению и качеству.

28. классификация чугунов. Влияние формы выделений графита на свойства чугунов.

29. сверхпластичность металлов и сплавов.

30. механические свойства, определяемые при статических, динамических и циклических испытаниях.

31. классификация видов термической обработки по А.А.Бочвару.

32. превращения в стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали.

33. превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита. =)

34. превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Обработка холодом.

35. технология термической обработки. Отжиг, нормализация и закалка.

36. закаливаемость и прокаливаемость. Способы закалки. Охлаждающие среды. Дефекты закалки.

37. химико-термическая обработка. Цементация и азотирование.

38. химико-термическая обработка. Нитроцементация и цианирование. Диффузионная металлизация.

39. термомеханическая обработка.

40. алюминий и его сплавы. Достоинства и недостатки, область применения. Классификация аллюминиевых сплавов. Пресс-эффект в аллюминиевых сплавах.

41. выскопрочные аллюминиевые сплавы, сплавы для ковки и штамповки, жаропрочные алюминиевые сплавы, марки, состав, свойства, термическая обработка, область применения.

42. деформируемые аллюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой. Марки, состав, свойства, область применения.

43. литейные аллюминиевые сплавы. Марки, состав, свойства, область применения.

44. термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг, закалка, старение.

45. магний и его сплавы. Марки, состав, свойства, область применения. Особенности литья и термической обработки магниевых сплавов.

46. основы легирования стали. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом. Влияние легирующих элементов на устойчивость аустенита и феррита.

47. влияние легирующих элементов на закаливаемость и прокаливаемость, на эвтектоидную концентрацию углерода в стали, на диффузионные процессы и рост зерна аустенита.

48. обозначение марок легированных сталей. Классификация легированных сталей по назначению, химическому составу, по степени легированности и по структуре после охлаждения на воздухе.

49.основные классы жаропрочных сталей и сплавов, их свойства и область применения. Легирующие элементы в жаропрочных сталях и сплавах. Термическая обработка.

50. особенности поведения металлов и сплавов при высоких температурах. Жаропрочность и жаростойкость, ползучесть и длительная прочность. Факторы, которые необходимо учитывать при выборе жаропрочного материала.

51. конструкционные (машиностроительные) цементуемые и улучшаемые легированные стали.

52. инструментальные стали и твердые сплавы.

53. проблемы с коррозией металлов. Коррозионная стойкость, влияние окружающей среды. Способы повышения коррозионной стойкости, защитные покрытия.

54. хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали. Их маркировка, структура и свойства. Особенности термической обработки этих сталей.

55. титан и его сплавы. Достоинства и недостатки, область применения. Структура титановых сплавов после охлаждения на воздухе.

56. термическая обработка титановых сплавов.

57. медь и ее сплавы. Латуни, бронзы. Маркировка, состав, свойства, область применения.