Материаловедение. Лекция Материаловедение и технология конструкторских материалов.. И технология конструкционных материалов металлы и сплавы железоуглеродистые сплавы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ; ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ; СОСТАВ СТРУКТУРА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ; ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Общие сведения Металлами называют вещества, характерными признаками которых при обычных условиях являются высокая прочность, пластичность, тепло - и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим. Сплавами называют металлические вещества с характерными свойствами металлов, получаемые при затвердевании жидких расплавов. Сплавы содержат два и более химических элемента. Входящие в состав сплава элементы или вещества (компоненты сплава) могут находиться между собой в одной из трех видов связи: - химической, - твердых растворов, - механической смеси. Металлы, применяемые в строительстве, разделяют на две основные группы: - черные, - цветные. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Общие сведения Черные металлы — сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь, ванадий, молибден и др.). Черные металлы в зависимости от содержания в них углерода подразделяют: - на стали (сплавы с содержанием углерода до 2,14 %), - чугуны (сплавы с содержание углерода более 2,14 %). На долю черных металлов приходится около 95 % производимой в мире металлической продукции. Остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным : - легкие – плотностью до 5 г/см 3 (на основе алюминия, магния); - тяжелые – плотностью выше 5 г/см 3 (на основе меди); - тугоплавкие (на основе молибдена, ванадия). МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Общие сведения Сталь – основной конструкционный материал, применяемый в строительстве. Различают: - углеродистые, - легированные стали. В углеродистых сталях содержат железо, углерод и примеси (марганец, кремний, серу, фосфор), которые называют нормальными при содержании их в пределах нормы. В легированных сталях кроме железа, углерода и нормальных примесей, содержатся специально вводимые легирующие добавки (никель, хром, титан, вольфрам и т. д.), которые изменяют их свойства. К легирующим добавкам относятся также марганец и кремний, если их содержание больше, чем предусмотрено для примесей в углеродистых сталях. Чугун содержит 2,14 … 6,67 % углерода. Чугуны являются как конструкционным материалом, так и промежуточным продуктом при производстве стали. По составу и применению чугуны подразделяют на: - передельные (белые), - литейные (серые), - специальные (ферросплавы). МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Общие сведения К цветным относятся все металлы , кроме железа (алюминий, медь, никель, титан, цинк, свинец, олово, вольфрам, ванадий и др.). Цветные металлы, как и черные, в чистом виде из-за их высокой пластичности применяют редко. Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево- марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюмина . Их применяют для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений. Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве находят применение бронза (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком). Их используют для изготовления архитектурных деталей и санитарно-технической арматуры. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Свойства металлов Свойства металлов, применяемых в строительстве, определяются в основном механическими и технологическими характеристиками . К механическим свойствам металлов относятся: - предел прочности при растяжении, - предел текучести, - относительное удлинение, - твердость, - ударная вязкость; К технологическим: - жидкотекучесть, - свариваемость, - ковкость, - электропроводность, - магнитность и др. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Свойства металлов К основным технологическим способам обработки металлов относят: - литейное производство, - обработку давлением (прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку), - сварку и огневую резку, - термическую обработку, - обработку резанием (механическая обработка), - различные виды электрофизических и электрохимических способов обработки металлов. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки: - - кубическая объемно-центрированная, - - кубическая гранецентрированная, - - гексагональная. В элементарной кубической объемно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 910 °С и выше 1390 °С, хром, вольфрам, ванадий и др. В кубической гранецентрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре 910…1390 °С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке , имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов а) б) в) Рис. 1. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов: а ) объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка; б ) гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка; в ) гексагональная кристаллическая решетка МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами (периодами) – расстояниями между центрами атомов, расположенных в узлах элементарной ячейки. Например, для железа эти параметры равны 28,4…36,3 нм. При этом плотность и степень упаковки атомов кристаллической решетки характеризуется отношением объема, занятого атомами, к объему кристаллической решетки. В зависимости от формы кристаллической ячейки и степени ее упаковки каждый атом имеет различное число взаимных контактов с другими атомами. Эта величина характеризуется координационным числом К (числом атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома): - для кубической объемно-центрированной решетки К = 18; - для кубической гранецентрированной решетки K = 12. Каждый металл имеет свою характерную кристаллическую ячейку, которая многократно повторяется и образует решетку его структуры. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов В металлах действуют различные виды физико-химической связи: - металлическая, - ван-дер-ваальсовая, - ионная, - ковалентная. Дефекты в кристаллах по геометрическим признакам разделяют на: – точечные; – линейные; – поверхностные; – объемные. Точечные дефекты имеют размер порядка диаметра атома. К ним относят чужеродные атомы (примеси), вакансии, межузельные атомы и др. Линейные дефекты обладают сечением порядка атома и одним протяженным размером. Это дислокации различных типов, цепочки вакансии, межузельных атомов. К поверхностным дефектам причисляют границы зерен и блоков, свободные поверхности кристаллов и др., они имеют только один малый размер – толщину. К объемным дефектам относят в кристаллах микротрещины, поры, различные включения. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Краевые, или линейные дислокации характеризуются появлением в кристалле незавершенной добавочной атомной плоскости (экстраплоскости). Дислокация называется положительной (рис. 2), если экстраплоскость лежит в верхней части кристалла, и отрицательной, если она расположена в нижней части кристалла. Рис. 2. Линейная дислокация в кристаллической решетке МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Винтовая дислокация (рис. 3) появляется, если в кристалле сделать надрез и сдвинуть вниз одну часть кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (плоскость сдвига заштрихована). Смещение уменьшается от точки А к точке В, что вызывает изгиб атомных плоскостей. Рис. 3. Винтовая дислокация в кристаллической решетке МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое состояние. Этот процесс называется кристаллизацией . Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, в значительной степени определяют свойства металла. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. Размеры зерен кристаллической решетки зависят от природы металла и условий его кристаллизации. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре. При резком снижении температуры возможно переохлаждение расплава, т.е. нахождение его в жидком состоянии при температурах ниже температуры затвердевания. Этот способ применяется, когда нужно придать изделиям специальные свойства, в частности, твердость и хрупкость. При охлаждении расплава неметаллов снижение температуры происходит без каких-либо перегибов, т.е. затвердевание происходит в интервале температур. Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела , т. е. тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен; поперечные размеры этих зерен 0,001…0,1 мм. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов В результате совместной кристаллизации нескольких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: - механическая смесь, - твердый раствор, - химическое соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодействия элементов в процессе кристаллизации. Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое состояние , называют температурой первичной кристаллизации . Кроме первичной кристаллизации, возможна и вторичная кристаллизация – изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Металлы обладают свойствами аллотропии , т. е. способностью одного и того же химического элемента при различных температурах иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: - α –Fe; - β –Fe; - γ –Fe; - δ –Fe. Практическое значение имеют только α –Fe и γ –Fe, β –Fe и δ –Fe отличаются от α –Fe только величиной межатомного расстояния, а для β –Fe характерно отсутствие магнитных свойств. Температура, при которой происходит переход металла из одной аллотропической формы в другую, называется критической . МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 5) в виде горизонтальных участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением тепла при нагревании. Рис. 5. Кривые охлаждения и нагревания чистого железа МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов Диаграммы состояния строятся экспериментально по критическим точкам, полученным на кривых охлаждения сплавов данной системы. Поскольку критические точки стремятся получить при очень медленном нагреве или охлаждении сплава, т. е. для равновесного состояния, то диаграммы состояния также называются еще и диаграммами равновесия. По диаграмме состояния конкретного сплава можно определить температуры кристаллизации и превращений в твердом состоянии и структуру при заданной температуре, что позволяет примерно оценить механические, физические и химические свойства сплава и правильно назначать режимы термической обработки, обработки давлением, сварки и т. п. Диаграммы состояний многих технических сплавов имеют сложный вид, но в большинстве случаев они могут быть сведены к нескольким простейшим диаграммам. Диаграммы состояния сплавов получают на основании данных экспериментальных исследований термического, микроскопического, рентгеноструктурного, магнитного и других анализов. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Диаграмма состояния «железо-углерод» Диаграмма состояния «железо-углерод» описывает равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры. По ней судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов. |