1. Атомнокристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм
 Скачать 1.38 Mb.
|
1. Атомно-кристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическ ое строение, те атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решетку. Различают 3 типа решеток: 1) простая кубическая (куб). Плотность упаковки 8*1/8=1; Координационное Число=6. 2) объемно – центрированная кубическая (оцк) (калий, натрий, литий). Куб, в котором атомы расп. по углам +1 в центре. Плотность 8*1/8+1=2; КЧ=8, коэффициент заполнености 68%. Пример: Fea; Feδ; Tiβ; Wo; Mo; Cr. 3) Кубическая гранецентрированная (гцк) (свинец, никель, золото, марганец). Куб, в котором атомы расп. по углам + по серединам граней. КЧ=12, плотность 8*1/8+6*1/2=4, коэф=74%. 4) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (цинк), шесть боковых и верхняя и нижняя грани, на которых тоже атом. Чем больше плотность упаковки, тем выше пластичность. Свойство металла изменять кристаллическую решетку с изменением температур – полиморфизм (много форм). Полиморфные модификации обозначают α, β, и т д. Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления. Естественная А. — наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников. Квазиизотропия – почти одинаковые свойства в различных направлениях. 2. Строение реальных кристаллических материалов. Дефекты кристаллического строения. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях всегда состоят из большого числа кристаллов. Их называют зернами. В крист. решетках имеются дефекты. I) Точечные: вакансии (отсут. атомов в узлах крист. решетки), межузельные (атомы, находящиеся вне узлов крист. реш.), примесные атомы (занимают в крист. реш. места осн. атомов или внедряются внутрь решетки) II) Линейные: 1. Цепочки вакансий или межузельных атомов, 2. дислокации (линии,вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение плоскостей кристаллов) бывают краевые(предст. границу неполной атомной пл-ти) и винтовые (линия, вокруг которой атомные пл-ти изогнуты по винтовой пов-ти) III) Поверхностные: 1. Границы зерен и блоков, 2. Дефекты упаковки (локальные изменения расположения атомных пл-й в кристалле) IV) Объемные – трещины, поры 3. Теоретическая и реальная прочность. Пути повышения прочности металлов и сплавов. Предположим сдвиг верхнего и нижнего слоя в таблице 3х5 до получения «лесницы». Tтеор=(a/b)*(G/2п)=70000/(2*3,14)13000МПа, tреал150Мпа. Получено из-за дефектов. Пути повышения: 1) уменьшение количества дефектов путем создания монокристаллических материалов («усы») – используют для армирования; 2) создание препятствий на пути движения дислокаций: а) пластические деформаци; б) много мелких частиц->границ->дефектов; в) термическая обработка, легирование. 4. Понятие о сплавах. Тв. раств., механические смеси, химические соединения. Сплав – вещ-во, полученное сплавлением 2х или более элементов. Фаза – однородная частица в сплаве, имеющая определенный химический состав, кристаллическую решетку и свойства, отделенная от остальной части сплава четкой границей. Система – совокупность фаз, находящихся в равновесии. В твердом сплаве компоненты могут образовывать: Механическая смесь образуется, если компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. Сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. Мех. смесь, образовавшаяся из расплава называется эвтектика. Из тв. вещ-ва – эвтектоид. Химические соединения. элементы сущ-но различаются по строению и свойствам. Особенности: 1. Соотношение чисел атомов AnBm 2. Крист. решетка отлична от решеток компонентов. 3. Св-ва хим. с-я отличны от св-в его компонентов. Fe+C=Fe3C-цемент. твердые растворы - компоненты располагается один в другом. Атомы составляют крист. решетку Тв. р-ры бывают внедрения (атомы растворенного эл-та расположены между атомами растворителя) и замещения (ограниченные и неогр.). Условия неогр. растворимости: 1. Атомные диаметры должны различаться не более чем на 15%. 2. Атомные решетки должны быть однотипные. 5 Экспериментальное построение диаграмм состояния. 6. Правила расшифровки диаграмм состояния двойных сплавов. Основные типы диаграмм состояния и их расшифровка. 1) сплавы выбираются так, чтобы каждую область диаграммы пересекала 1 линия сплавов; 2) расшифровку проводят только сверху вниз, в направлении охлаждения; 3) двигаемся сверху вниз, при пересечении линии сплавов с 1й сплошной диаграммы нужно из точки сечения провести горизонталь (коноду) внутрь области, в которой находится линия справов до пересечения с 1й сплошной линией- диаграммой. Проекция точки пересечения на ось концентрации укажет состав выпадающей твердой фазы. 4) при пересечении линии сплавов с горизонтальной линии спдавов проводят коноду, одновременно в обе стороны до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы. Проекция точки пересечения на ось концентрации указывает на состав механической смеси. 7. Возможности т. о. (диф отжиг, отжиг для измельчения зерна, закалка, отпуск и стар.). Термической обработкой называют процесс обработки заготовок и изделий из металлов и сплавов исключительно тепловым воздействием с целью изменения их структуры и свойств. Целью любой термической обработки является получение заданных свойств. Основными факторами при термической обработке являются температура и время.виды т. о. 1. Отжиг - нагрев сплава, выдержка для завершения диффузионных процессов с последующим медленным охлаждением. В зависимости от поставленных задач существуют следующие разновидности отжигов: а) диффузионный отжиг проводят для сплавов - твѐрдых растворов с целью устранения дендритной (реже зональной) ликвации. чуть ниже линии солидус. Длительная выдержка при столь высокой температуре приводит к выравниванию химического состава в пределах всего объѐма материала, но и вызывает рост размера зерна (перегрев), что существенно снижает ударную вязкость материала(КСU); б) перекристаллизационный отжиг (отжиг с целью измельчения зерна) назначают для сплавов с полиморфными превращениями. Нагрев при этом проводят до температур немного выше температуры конца полиморфных превращений. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала для завершения обратных фазовых превращений, в основе которых - диффузия. Обычно охлаждение производят с печью. 2. Закалка - нагрев сплава выше критических температур с последующим быстрым охлаждением с целью торможения протекания диффузионных процессов. Закалка возможна, если: а) сплав имеет полиморфные превращения (образуется мартенсит); б) имеется твѐрдый раствор с переменной растворимостью (образуется пересыщенный твѐрдый раствор). 3. Отпуск (старение) закалѐнного сплава - перевод его в более равновесно е состояние. Нагрев проводят до температуры не выше первой критической. Отпуск - термическая обработка сплава, закалѐнного на мартенсит. Старение - т о , зак на пересыщенный твѐрдый рас-р. 8. Виды и цели отжига.(cm 7) В) сфероидизирующий отпуск – обработка инструментальных сталей с целью снижения твердости, подготовка структуры к закалке. Зернистый перлит получают путем нагрева чуть выше Ac1 и медленного охлаждения. 9. Виды закалки . Отпуск (старение).см 7 Мартенситом называют особый вид структуры, образующийся при фазовом полиморфном превращении без диффузии путем группового сдвига атомов по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям на расстояние меньше периода решѐтки.Для доэвтектоидных сталей назачают полную закалку (выше Ас3), для заэвтектоидных – неполную (до Ac1). Брак при закалке – перегрев выше происходит укрупнение зерна. 10. Диаграмма железо-цементит. Расшифровка, практич. применение. Железо с углеродом образует химическое соединение: Fe3C – цементит, очень твердое, но хрупкое. Рассматривается лишь часть – до 6,67%С. Технически чистое железо полиморфно, 4 крит точки: 1539 – кристаллизация и 3 перекристаллизации. Плотность упаковки Fey > чем Fea => превращение Fev > Fea происходит с увеличением объѐма, возникновенииe внутренних структурных напряжений. Феррит – тв. р-р внедрения углерода в альфа- железо. Макс. раств-ть С в альфа-железе 0,02%. Аустенит – тв. р-р внедрения углерода в гамма- железе. Предельная раств-ть 2,14% Цементит – хим. с-е железа и углерода FeзC. 6,67% С. Цементит имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. В сплавах железа и углерода существуют 2 высокоугл. фазы графит и менее устойч. – цементит. AECF – солидус, PSK – линия эвтектоидного превращения, ECF – линия эвт. превращения Перлит – феррит + цементит Ледебурит – эвтектика системы. Механическая смесь аустенита и цементита. 42 Термомеханическая обработка (ТМО) – новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО). Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А3). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке. Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей. Последующий отпуск при температуре 100…200oС проводится для сохранения высоких значений прочности. 11. Классификация сплавов по диаграмме железо-цементит (стали, чугуны). Маркировка углеродистых сталей, их классификация по структуре и назначению. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями. Сплавы с содержанием углерода свыше 2,14 % называют чугунами. По структуре стали делят на: 1) доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % С; 2) звтектоидные - 0,8 % С; 3) заэвтектоидные - от 0,8 до 2,14 % С. По назначению различают: 1) конструкционные стали ( до 0,6 % С); 2) рессорно-пружинные (0,6-0,8 % С); 3) инструментальные (0,7 и более процентов углерода). По содержанию углерода стали подразделяют: на малоуглеродистые (содержат до 0,25 % С); среднеуглеродистые (0,25-0,6 % С); высокоуглеродистые - свыше 0.6 % С. Конструкционные стали разделяют на две группы по качеству (в соответствии с содержанием вредных примесей - серы и фосфора): а) сталь углеродистая обыкновенного качества: СтО, Ст[1/2/3/4/5]кп, Ст[1/2/3/4/5/6]пс, Ст[1/2/3/4/5/6]сп. Ст - "Сталь", цифры – усл номер марки в зав от химического состав (чем больше номер, тем больше в стали углерода и ниже пластичность), буквы кп/пс/сп - степень раскисления (кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная). б) сталь углеродистая качественная конструкционная. Поставляют стали марок: сталь 05, 08, 10, 15, 20 - 55, 60. Рессорно-пружинные стали следующих марок: сталь 65, 70, 75, 85. Цифры в маркировке означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь инструментальную углеродистую поставляют двух групп по качеств: качественные марок У7, У8 - У13; высококачественные, более чистые но содержанию серы и фосфора, марок У7А, У8А - У13А. Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У - углеродистая, следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг). Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б). Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование. Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения. 12. Чугуны (белые, серые, ковкие и высокопрочные). Маркировка, структура, свойства и применение чугунов. Чугуны – сплавы железа и углерода (от 2,14%). Чугуны содержат примеси Mn, Si, S, Чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Не подвергаются обработке давлением. С целью увеличения характеристик износостойкости и пластичности чугуны легируют Cr, Ni, Si, Μη, Mo, W, Ti, Al, Co и др. Белый чугун - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет. Белый чугун имеет ограниченное применение. Изготавливают детали с отбеленной поверхностью, работающие в условиях абразивного износа и незначительных нагрузок (прокатные, мельничные валки). Белый чугун применяют главным образом как передельный чугун (полуфабрикат). Белый чугун хорошо сопротивляется статическому сжатию, но очень хрупок. В серых, высокопрочных и ковких чугунах весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита. В серых чугунах (излом серого цвета) графит имеет пластинчатую форму. Серые чугуны обладают высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка), имеют антифрикционные свойства. Но они плохо сопротивляются растяжению, ударным нагрузкам. Серые чугуны широко применяют для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Эти чугуны получают модифицированием – добавкой в жидкий чугун магния в количестве 0,02-0,08%. Благодаря шаровидной форме графита, высокопрочные чугуны имеют более высокие, чем серые, прочностные характеристики, обладают некоторой пластичностью и ударной вязкостью. Их применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей: прокатных валков, коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такие чугуны получают отжигом (длительным нагревом при температуре 950- 1000С) белого чугуна. Ковкие чугуны, по сравнению с серыми, обладают большей прочностью и пластичностью. Из них изготавливают тонкостенные детали, работающие в условиях ударных и вибрационных нагрузок: ступицы, тормозные колодки. Обозначение: буквы, означающие категорию и цифры, указывающиме минимальное значение предела прочности при растяжении σв в МПа. Например: 1) СЧ20 – серый чугун с σв не менее 200 МПа (≈20 кгс/мм2); 2) ВЧ50 – высокопрочный чугун, σв не менее 500 МПа; 3) КЧ35-10 – ковкий чугун с σв не менее 350 МПа (≈35 кгс/мм2) и относительным удлинением не менее 10% (минимальное значение). 13. Предварительная термическая обработка стальных заготовок (нормализация, отжиг). Предварител ьную термическую обработку выполняют для обеспечения требуемых технологических свойств материала заготовок (отливок, поковок, проката и т.п.) и подготовки структуры к окончательной термической обработке: 1) уменьшения твѐрдости для снижения усилий резания; 2) измельчения зерна с целью повышения пластичности, так как современные методы обработки конструкционных сталей связаны в основном с формообразованием за счет пластической деформации; 3) устранения различных дефектов структуры (строчечное, ферритной сетки, видманштеповой структуры); 4) получения равномерного распределения структурных составляющих; 5) снятия внутренних напряжений. В качестве предварительной термической обработки сталей проводят отжиг или нормализацию. Отжиг - нагрев доэвтектоидной стали до температуры на 30-50 °С выше линии Ac3, выдержка и медленное охлаждение с печью (скорость охлаждения 20-30 град/ч). При нормализации в отличие от отжига охлаждение производят на спокойном воздухе (скорость охлаждения 3 град/с). Нагрев доэвтектоидных сталей при предварительной термической обработке выше линии Ac3 необходим для измельчения зерна в сплавах в результате полной перекристаллизации. При этом следует учитывать, что измельчение стали. Такой дефект структуры носит название перегрева. Нагрев же стали в межкритический интервал температур (ниже линии Ас 3 , но выше Ac1) не приводит к полной перекристаллизации (измельчается только зерно перлита). Нормализация приводит к несколько более высокой твѐрдости, чем отжиг. Для сталей, содержащих 0,25-0,5 % углерода, повышение твѐрдости которых при нормализации невелико, выгоднее проводить нормализацию; для более высокоуглеродистых сталей, содержащих 0,55-0,75 % С - отжиг, но, возможно, и нормализацию - в зависимости от используемой в дальнейшем технологии. Малоуглеродистые стали (до 0.25 % С) необходимо подвергать только нормализации, чтобы сталь, имея структуру феррит + перлит (небольшое количество), была пластичной. После отжига эти стали будут иметь структуру феррита и цементита, расположенного по границам ферритных зерен, что сильно охрупчивает стали. Измельчение зерна при отжиге или нормализации доэвтектоидных сталей в результате перекристаллизации происходит как при нагреве, так и при охлаждении |