Шпаргалка по "Материаловедению"

1 общая характеристика металлов Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag,Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te — промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы, расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее — в основном, к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.    Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

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

2 физические и механические свойства металлов

Физические свойства Для металлов наиболее характерны следующие свойства: металлический блеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества. 
Для всех металлов характерна металлическая кристаллическая решетка: в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Наличие последних объясняет высокую электропроводность и теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.

механические свойства Большинство деталей машин, обрабатываемых на металлорежущих станках, изготавливается из металлов и их сплавов. Наибольшее распространение имеют чугуны и стали, в меньшей степени - цветные металлы. Для режущих инструментов широко применяются твердые сплавы и абразивные материалы. 
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

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

3 Кристалические и аморфные  тела. Их характеристики

По своим физическим свойствам  и молекулярной структуре твердые  тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические.

Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

 

 

 

 

 

 

 

4. Понятие кристаллической решетки.виды,основные параметры.

Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек (атомов), которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с центрами молекул.

Общая характеристика

В зависимости от пространственной симметрии, все кристаллические  решётки подразделяются на семь кристаллических систем. По форме элементарной ячейки они могут быть разбиты на шесть сингоний. Все возможные сочетания имеющихся в кристаллической решётке поворотных осей симметрии и зеркальных плоскостей симметрииприводят к делению кристаллов на 32 класса симметрии, а с учётом винтовых осей симметрии и скользящих плоскостей симметрии на 230 пространственных групп.

Классификация решёток по симметрии

• триклинная сингония — наименьшая симметрия, нет одинаковых углов, нет осей одинаковой длины;
• моноклинная сингония — два прямых угла, нет осей одинаковой длины;
• ромбическая сингония — три прямых угла (поэтому ортогонально), нет осей одинаковой длины;
• гексагональная сингония — две оси одинаковой длины в одной плоскости под углом 120°, третья ось под прямым углом;
• тетрагональная сингония — две оси одинаковой длины, три прямых угла;
• тригональная сингония — три оси одинаковой длины и три равных угла, не равных 90°;
• кубическая сингония — высшая степень симметрии, три оси одинаковой длины под прямым углом.

5.Кристализачия металлов. Основные понятия

Кристаллизация - это процесс  образования зерен (кристаллитов) металла  при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого  состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные  превращения в нем, называют вторичной  кристаллизацией.

 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Полиморфизм металлов способность нек-рых вещ-в существовать в сост. с разными ат. и кристаллич. структурами. Каждое из таких сост. (термодинамич. фаз) наз. полиморфной модификацией, устойчива при опред. внеш. условиях (темп-ре, давлении). Полиморфные модификации обозначают греч. буквами а, р, у и т.д. по возрастанию темп-рного интервала их существования. Различие в структуре обуславл. и различие в св-вах полиморфных модификаций данного вещ-ва. П. был открыт в 1798 г., когда было обнаружено существование СаСО3 в виде двух минералов — кальцита и арагонита. П. обладают простые вещ-ва (см. Аллотропия), а тж. неорганич. и органич. соединения. П. обладает примерно половина всех металлов. Наиб, число полиморфных модификаций у Ри — 6, у Мп — 4; у пеми металлов, в том числе у U — 3 модификации. У 29 металлов, в том числе у Fe, Ti и Sn, две кристаллич. модификации.

 

 

 

 

 

 

7,Пластическая деформация,Скольжение и двойникование,наклёп

Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла  изменяются его механические и физико-химические свойства. Рассмотрела физическую сущность процесса пластической деформации.

Скольжение и двойникование

В кристаллических твердых  телах реализуются два основных типа пластической деформаций: двойникование и скольжение. Двойникование наиболее часто имеет место в ГПУ и ОЦК кристаллах [74]. При двойниковании происходит сдвиг определенных областей кристалла в положение, отвечающее зеркальному отражению несдвинутых областей (рис. 4.13). Сдвиг происходит относительно какой-либо благоприятным образом ориентированной к положительному напряжению τ кристаллографической плоскости, которая называетсяплоскостью двойникования.

Областью сдвига является вся сдвинутая часть кристалла. При двойниковании в области  сдвига перемещение большинства  атомов происходит на расстояния, меньшие  межатомных, но в каждом атомном  слое атомы сдвигаются на одно и  то же расстояние по отношению к  атомам нижележащего слоя.

При деформации путем скольжения одна часть кристалла перемещается в определенном направлении относительно другой вдоль какой-либо кристаллографической плоскости 

НАКЛЁП — упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера).

8.Возврат и рекрестализация

Возврат -- Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения  и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре:

Т = (0,25 .. 0,3) Т_пл

Возврат уменьшает искажение  кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и  не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность  дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна  малоугловыми границами

Рекрестализация Процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном  возрастании пластичности. Также  снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная  рекристаллизация (обработки) заключается  в образовании центров кристаллизации  и росте новых равновесных  зерен с неискаженной кристаллической  решеткой. Новые зерна возникают  у границ старых зерен и  блоков, где решетка была наиболее  искажена. Количество новых зерен  постепенно увеличивается и в  структуре не остается старых  деформированных зерен.

Движущей силой первичной  рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система  стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической  решеткой.

2 стадия – собирательная  рекристаллизация заключается в  росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При  мелких зернах поверхность раздела  большая, поэтому имеется большой  запас поверхностной энергии. При  укрупнении зерен общая протяженность  границ уменьшается, и система переходит  в более равновесное состояние.

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

 

 

 

9 Механические испытания металлов

Качество металлов и изделий  из них оценивают по результатам  механических, химических, технологических, металлографических испытаний и  наружного осмотра. Ниже кратко описываются  только механические испытания. 

Испытание на растяжение.

Для этого вида испытания  изготовляют стандартные образцы  с установленной расчетной длиной для круглого образца l=l0d; для плоского образца /=11,ЗЛо, где d — диаметр образца, мм; Ао— площадь поперечного сечения  образца, мм2.

Испытания проводят на специальной  машине путем осевого растяжения образца до разрыва, с автоматической записью диаграммы зависимости  деформации от нагрузки. 

Испытание на изгиб.

Испытание на изгиб в холодном или нагретом состоянии проводится для определения способности  листового металла принимать  заданный по размерам и форме изгиб. Образцы для испытания вырезают из листа без обработки поверхностного слоя и подвергают пробе на изгиб  на прессе или в тисках  

В зависимости от толщины  испытываемого образца выбирают диаметр шарика и нагрузку.

Для углеродистых сталей, имеющих  предел прочности 300... 1000 МПа, существует приближенная зависимость между  твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности при растяжении: 0 = 0,36 НВ.

Если сталь имеет большую  твердость (закаленная сталь, цементированная), а также для тонколистовых  сталей твердость определяют по Роквеллу, вдавливая в испытываемый образец  шарик диаметром 1,59 мм или алмазный конус. Показатель твердости по Роквеллу HR по специальным таблицам можно  перевести в показатель твердости  по Бринеллю НВ. 

Испытание на удар.

Испытанием на удар определяют способность работы металла в  условиях динамических нагрузок или  хрупкость. Чем пластичнее металл, тем  лучше он переносит? ударные нагрузки. Испытание на удар производят на специальных  маятниковых копрах с применением  стандартных образцов с надрезом.

12 Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 
1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С ± 5^o С.

Процессы  при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое  превращение. 
Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует Fe_α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является Fe_γ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe_δ или высокотемпературное Fe_α. Высокотемпературная модификация Fe_α не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения Fe_α <-> Fe_γ обозначают точкой A₃, а температуру 1392^o С превращения Fe_γ <-> Fe_δ - точкой А₄.