Контрольная. ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ МАТ-ДеНиЕ1-2. Задача материаловедения

• Название: Задача материаловедения
• Анкор: Контрольная
• Дата: 27.03.2023
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ МАТ-ДеНиЕ1-2.docx
• Тип: Задача; #1019591
• страница: 5 из 10

Чёрные металлы (к ним относятся все сплавы железа, подавляющее большинство чёрных металлов содержит углерод).

Цветные металлы (к этой группе относят все остальные металлы, например латунь, бронза, мельхиор и дюралюминий).

33.

Железоиегосплавы.

ЖЕЛЕЗО- чистый металл имеет серебристо-серый цвет и обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, которые можно встретить в природной среде, отличаются ярко выраженным металлическим блеском и значительной твердостью. Особым качеством материала является электропроводность, позволяющая использовать его для передачи тока с помощью свободных электродов.

 Сплавы железа называют черными. В группу входят стали и чугуны.

Чугун состоит из железа с углеродом (2 – 4,3 %) и может содержать примеси кремния (до 4,5 %), марганца (1,5 %), фосфора (до 1,5 %) и серы (0,08 %), а также легирующие компоненты (чаще всего металлы, например, никель, хром, медь, алюминий), которые добавляют для получения определенных характеристик.

Чугун бывает передельный (из него делают сталь) и литейный (подходит для получения отливок). Литейные чугуны делят на несколько категорий:

1. 
   Серые чугуны. В его состав входит углерод (графита) в пластинчатой форме. Обычно этот металл имеет графит в перлитовой структуре.
   
2. 
   Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Графит в них включен в виде шаров, которые получились при отливе и добавлении в раствор магния или церия. Металл пластичнее серых чугунов.
   
3. 
   Белые чугуны. Состоят из твердого цементита без добавления графита. Внешний вид имеет специфический белый (светлый) блеск в изломе.
   
4. 
   Ковкие чугуны. Являются результатом обработки белых чугунов. Бывают перлитовый и ферритовый типы. Также чугуны можно разделить на белосердечный, черносердечный и перлитовый. Металл более тягучий по сравнению с серыми литейными чугунами. Кроме того, ковкий чугун обладает повышенным пределом на растяжение, что в совокупности с предыдущим качеством определило широкое применение таких сплавов железа.
   
5. 
   Высоколегированные чугуны. В состав сплава добавляют кремний, хром, никель или алюминий. Такие чугуны подразделяют на две большие группы: безграфитные белые чугуны и чугуны с содержанием графита. Безграфитные белые чугуны обладают высоким сопротивлением к истиранию. В другой группе графит находится в сплаве в виде шаровых или чешуйчатых включений. Эти металлы по тепловому сопротивлению сопоставимы с серыми и пластичными чугунами. Сплав успешно противостоит химическому разрушению, то есть является коррозионностойким.
   

Сталь

Сталь – сплав, содержащий железо с углеродом в пределах 2,14 %. При точном соблюдении заданных пропорций в ходе производства можно достичь хорошей прочности материала.

Чтобы получить требуемые характеристики, в состав добавляют разные химические компоненты. Например, есть сплав железа с хромом. Особые свойства металла достигаются также за счет термической обработки. Этот метод позволяет выпускать марки стали с повышенными магнетическими свойствами, улучшенной прочностью, коррозионной устойчивостью. Каждый вид сплава с определенными характеристиками имеет собственную маркировку, состоящую из букв и цифр.

В зависимости от содержания углерода в стали выделяют такие типы сплавов:

• 
  малоуглеродистые;
  
• 
  среднеуглеродистые;
  
• 
  высокоуглеродистые.
  

Чтобы улучшить определенные свойства металла, используют легирующие добавки. По этому признаку выделяют три вида сталей:

• 
  низколегированные;
  
• 
  среднелегированные;
  
• 
  высоколегированные сплавы с добавлением примесей до 50 %
  

Легированные стали используют при производстве инструментов и машинных узлов, потому что материал очень прочный, жаростойкий, не подвержен окислению, что объясняется свойствами легирующих элементов. Углеродистые стали обычно применяют в строительстве каркасных сооружений, трубопроводов и прочего.

Также существует деление сталей по степени раскисления:

1. 
   Кипящие – обладают невысокими качествами, потому что в сплаве используется мало легирующих элементов. Для обозначения применяют буквы «КП».
   
2. 
   Спокойные – прошедшие этап вредного раскисления. При производстве улучшается качество металла за счет применения более дорогостоящих технологий и добавок. Сплав имеет маркировку СП.
   
3. 
   Полуспокойные – по качеству находятся между кипящими и спокойными сплавами. Обозначаются как «ПС».
   

В зависимости от назначения сплавы железа делятся по списку:

1. 
   Строительные. Это высоко- или среднеуглеродистые стали. Их применяют для возведения каркасов зданий и сооружений, производства кровельных компонентов, бытовых предметов и прочего.
   
2. 
   Конструкционные. В сплавах содержится маленькое количество углерода, не более 0,75 %. Их используют в отрасли машиностроения, производства транспортных средств, морских судов и других предметов.
   
3. 
   Инструментальные. Низкоуглеродистые стали с небольшой долей марганца – 0,4 %. Их применяют для изготовления измерительных, штампованных, режущих инструментов.
   
4. 
   Специальные. Группа состоит из металлов с особенными свойствами. Например, электротехническая сталь с заданными магнитными характеристиками, жаропрочная нержавеющая сталь и прочие металлы.
   

Сталь занимает главенствующее место среди материалов для производства различной продукции. Ее доля составляет 95 % всех изделий.

Более редкие сплавы

Феррит

Представляет собой твердый раствор углерода, содержание которого не больше 0,02 %, в α-железе. Феррит – это практически чистое железо. Он пластичный, но непрочный и не обладает твердостью. Подобная структура характерна для тонколистовой и низкоуглеродистой стали.

Перлит

Это механическая смесь феррита и цементита, которая формируется при распаде аустенита. Доля углерода не превышает 0,8 %. В качестве структурного элемента перлит содержится во всех сталях и чугунах.

Аустенит

Аустенит представляет собой твердый раствор α-железа и углерода, при этом содержание углерода не превышает 2 %. Этот сплав содержит легирующие компоненты. Металл обладает высокой твердостью по сравнению с ферритом, а также хорошей пластичностью. Такие свойства сплавы железа получают благодаря термической и химико-термической обработке.

Ледебурит

Главная структура сплавов железа с углеродом. Она состоит из сочетания цементита и аустенита во время плавки, а при остывании становится смесью цементита и перлита. Ледебурит состоит на 4,3 % из углерода. Такой сплав очень твердый, но хрупкий.

Цементит

Металл состоит из железа и углерода в пределах 6,67 %. Сплав хрупкий, но в то же время твердый, как алмаз.

Промышленные производства используют в своей деятельности более 10 000 видов разных сплавов. Металлы с основой из железа могут претерпевать множество деформаций и изменяют свои качества под воздействием температуры и легирования дополнительными компонентами. Несмотря на такой обширный ряд имеющихся сплавов железа, разработки по поиску оптимальных характеристик под конкретные запросы производителей не прекращаются.

На примере производства популярного железного сплава (чугуна) рассмотрим, каким образом получаются распространенные соединения металлов.

Используются следующие методы:

1. 
   Прямая технология. В плавильную печь загружают окатыши железной руды, которые продувают угарным газом, смешанным с кислородом и аммиаком. Температура обработки составляет 1000 градусов.
   
2. 
   Мартеновский метод. Твердый чугун проходит термическую обработку в мартеновской печи с добавлением примесей.
   
3. 
   Электроплавильный способ. Металл получают в закрытых печах, нагретых до 2200 градусов. Эта технология позволяет получить сплав высокого качества.
   
4. 
   Кислородно-конвертерный метод. Термическая обработка чугуна производится в печи с дополнительным обдувом кислородом и воздухом, в результате чего технологический цикл проходит быстрее.
   

Процесс производства чугуна:

• 
  Подготовка руды заключается в измельчении на маленькие частицы.
  
• 
  Измельчение коксового угля.
  
• 
  Дробление флюса.
  
• 
  Загрузка в печь. Этот процесс предполагает использование доменных печей.
  

После цикла основного производства металла следует этап вспомогательной обработки. К нему относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Данные процессы улучшают характеристики металлов.

Сплавы на основе железа активно применяются в производстве техники, инструментов, конструкций, приборов и других элементов. До настоящего времени стали и чугуны остаются востребованы в промышленности государства более, чем другие современные материалы.

34.

Диаграммысостояниясплавов.

Сплавы в подавляющем числе случаев находятся в состоянии, когда они обладают ограниченной устойчивостью. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко. Состояние сплава зависит от внешних условий (например, температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Для описания фазового состава сплавов в условиях, достаточно близких к равновесному состоянию, применяют диаграммусостояния.

Диаграммасостояния (фазовогоравновесия) сплава— графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинамически равновесной системы, в зависимости от концентрации компонентов (в процентах по массе или, реже, в атомных процентах) и температуры.

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от температуры. Обычно применяют проекции диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей при постоянном значении остальных параметров, например, на плоскость температура — состав при постоянном давлении.

Диаграммы состояния сплавов получают на основании данных экспериментальных исследований термического, микроскопического, рентгеноструктурного, магнитного и других анализов. Основным, наиболее простым и широко используемым является метод термического анализа. При этом анализе определяют температуру начала и конца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в твердое, а также температуры всех фазовых превращений, происходящих в сплавах в твердом состоянии (например, полиморфизм).

35.

Деформацияиразрушениеметаллов.

Приложение нагрузки вызывает деформацию. В начальный момент нагружение, если оно не сопровождается фазовыми (структурными) изменениями, вызывает только упругую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично) становится необратимой (пластическая деформация), необратимо при этом изменяются и строение металла и, следовательно, его свойства Зависимость деформации от напряжения изображается так называемой диаграммой растяжения. Условное напряжение:

σ = P / F0 (кгс/мм2),

где P– сила;

F₀ – начальное сечение, а ось абсцисс – относительная деформация:

ε = Δl / l,

где Δl – приращение длины,

l – начальная длина.

Тангенс угла наклона – прямой: tg α = σ / ε = Е – модуль нормальной упругости (в кгс/мм ²) – характеризует жесткость материала (сопротивление упругому деформированию), которая определяется силами межатомного взаимодействия, зависящими в первом приближении от температуры плавления металла. Поскольку легирование и термическая обработка очень слабо влияют на температуру плавления, модуль нормальной упругости можно рассматривать как структурно нечувствительную характеристику. У всех сталей Е ≈ 2 ×10 ⁴ кгс/мм ², а у алюминиевых сплавов Е 0,7 × 10 ⁴ кгс/мм ².

Условное напряжение, при котором нарушается пропорциональная зависимость между ε и σ, есть предел упругости (или предел пропорциональности).

Для технических целей (кроме упругих элементов) малое отклонение от пропорциональной зависимости не считается существенным, и обычно считается, что пластическая деформация наступает тогда, когда остаточная необратимая деформация ε_пл. становится равной 0,2 %. Условное напряжение, при котором = 0,2 %, называется пределом текучести (на диаграмме – σ_0,2) и характеризует сопротивление материала малой пластической деформации. Истинное напряжение достигает максимального значения в точке Z – при окончательном разрушении образца. Для высокопрочных и малопластичных материалов σ_В > 150 кгс/мм ², относительное сужение ψ (изменение сужения) в месте разрыва (разрушения) равно менее 40 %, а определяется ψ по формуле:

ψ = (F_о – F_х)F_о,

где F ₀ – сечение образца до разрушения;

F_x – сечение в момент максимальной деформации.