Учебно-методический комплекс по дисциплине Материаловедение
Скачать 1.36 Mb.
|
Объемные (трехмерные) дефекты: макроскопические трещины, поры, включения и т.д. 1.2.7 Наклеп металла Из многолетнего опыта известно, что после ковки холодного металла заметно возрастают его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т.е. повышение прочности и твердости, сопровождающееся уменьшением пластичности. 1.2.8 Свойства металлов Физические: магнитные, эл.проводность, теплопроводность, плотность, теплоемкость, температура плавления и др. Химические: коррозия Механические: прочность, твердость, пластичность, вязкость Технологические: литейные (жидкотекучесть, усадка), ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом Специальные: жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии, износостойкость. 2. Основы теории сплавов. Твердые растворы, механические смеси, химические соединения. Создание металлических сплавов является первым и наиболее ответственным этапом, во время которого в конструкционный материал должны быть заложены важнейшие предпосылки для формирования оптимальной дислокационной структуры и хорошего металлургического качества на всех последующих этапах. 2.1. Понятие о металлических сплавах. Сплавы – сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием 2-х или нескольких простых веществ, называемых компонентами. (При сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре). Сплав считается металлическим, если его основу (>50% по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и др. механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов. 2.2. Виды двойных сплавов. В зависимости от природы, сплавляемых компонентов они, взаимодействуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свойствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д.И. Менделеева, особенностей строения электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристаллических решеток, соотношения температур их плавления, их атомных диаметров и других факторов. В зависимости от преобладания тех или иных перечисленных факторов компоненты при сплавлении могут образовывать: смеси своих зерен с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью; неограниченно или частично растворяться друг в друге; образовывать химические соединения. Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В, отчетливо выясняемых на микроструктуре. Механические свойства зависят от количества соотношения компонентов, р  азмера и формы зерен. Рис. 2.1. Виды твердых растворов а - замещения; б - внедрения При растворении компонентов друг в друге образуются твердые растворы. Получающийся при этом продукт представляет собой зерна, кристаллическая решетка которых построена из атомов обоих компонентов. Если атомы растворимого компонента замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения (рис. 2.1, а). Такие растворы образуют компоненты с аналогичными типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров. Если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр, то образуется твердый раствор внедрения (рис. 2.1, б). В этом случае энергозатраты на образование раствора оказываются меньшими, т.к. атомы растворимого элемента (например, углерода в железе) размещаются в междоузлии ячейки кристаллической решетки. Компоненты с неограниченной растворимостью образуют только растворы замещения. Ограниченная растворимость наблюдается как у твердых растворов замещения, так и у растворов внедрения. При ограниченной растворимости компонентов за пределами их растворимости образуются или смеси зерен ограниченных твердых растворов обоих компонентов друг в друге (компонента А в В и компонента В в А), или смеси зерен ограниченного раствора и химического соединения компонентов. В твердых растворах замещения преобладающей связью между атомами является металлическая. В растворах внедрения в месте с металлической может возникать и ковалентная связь. Ковалентная связь на порядок сильнее металлической. Особенности межатомных связей в зернах твердых растворов предопределяют их прочностные и другие свойства. Образующиеся при сплавлении 2-х компонентов химические соединения имеют строго определённый состав. Они представляют собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. Ячейки решеток имеют сложное строение. Связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами (Fe3C). Существует несколько видов химических соединений, отличающихся спецификой строения и свойств (здесь не рассматриваются). В связи с изложенным выше все существующие металлические сплавы можно разделить на 4 основных вида (рода): 1. Механическая смесь зерен компонентов; 2. Неограниченные твердые растворы (замещения); 3. Твердые растворы с ограниченной растворимостью; 4. Устойчивые химические соединения 3. Диаграммы состояний двойных систем. Диаграмма состояний Fe - Fe3C. Классификация и маркировка сталей и чугунов. Диаграмма состояния - это график в координатах - состав сплава - температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и вполне определенные свойства. Их принято называть фазами. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, специфику строения и свойства. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это могут быть твердые растворы, химические соединения. А так же зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твердых растворов, ни химических соединений. Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имеющих разные составы, строение и свойства. Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменения в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для её проведения. 3  .1.Диаграмма состояния I рода (механическая смесь) Рис.3.1 Диаграмма состояния I рода (а) и схемы получающихся структур (б) Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют механические смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости (рис.3.1). на оси абсцисс отложена доля компонента В в сплаве в процентах. Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе (рис.3.1, т.С). состав сплава можно определить, спроецировав т.С на ось абсцисс (т.ВЭ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой. Эвтектика – равномерная смесь одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой tЭ. На диаграмме состояния температуры, выше которых сплавы находятся в жидком состоянии, лежат на линии АСВ, называемой линией ликвидуса (рис.3.1, а) (от латинского «ликвидус» - жидкий, текучий). Переход сплавов из жидкого состояния в твердое при кристаллизации происходит в интервале температур, лежащих между линией ликвидуса и эвтектической температурой, которой соответствует линия солидуса DCE (от латинского «солидус» - твердый). При этом из каждого сплава по мере снижения температуры в твердую фазу переходит в начале тот компонент, количество которого превышает эвтектическую концентрацию (рис.3.1, б). поэтому у доэвтектических сплавов двухфазная область ACD содержит избыточный компонент А, а в заэвтектической области ВСЕ находятся соответственно твердая В и жидкая Ж фазы. В обоих случаях фаза Ж является жидким раствором обоих компонентов. Количественные изменения в сплавах данной системы комплектов (касающиеся состава твердой и жидкой фаз и их долей в единице массы любого сплава) при кристаллизации подчиняются правилу отрезков. Воспользуемся этим правилом на примере затвердевания сплава 1 (рис.3.1). Определим составы и число фаз при произвольно взятой температуре, соответствующей изотерме lts. При данной температуре состав жидкой фазы всех заэвтектических сплавов, включая и сплав 1, будет одинаковым, равный значению Вl. Состав твердой фазы будет соответствовать 100% компонента В. Таким образом, при кристаллизации сплавов состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса от исходного до эвтектического. Масса твердой фазы при данной температуре определяется величиной отрезка lt, а жидкой – отрезка ts. Если массу всего сплава Q выразить через ls, то относительные доли твердой QВ и жидкой QЖ фаз можно представить в виде  и  (3.1)Пользуясь этими выражениями, можно вычислить и абсолютные массовые доли каждой из фаз при любой температуре. Доэвтектические сплавы содержат компонента А свыше (100-ВЭ)%. В них он является избыточным компонентом. В заэвтектических сплавах избыточным является компонент В. В них его количество превышает ВЭ. При температурах ниже линии солидуса фазовый состав всех сплавов системы состоит из зерен обоих компонентов: А+В. Следует различать присутствующие в любом сплаве мелкие зерна А и В, составляющие эвтектику, и крупные зерна избыточных фаз – компонентов А или В соответственно в доэвтектических и заэвтектических сплавах (рис.3.1, б). Для более точной оценки прочностных и других свойств затвердевших сплавов целесообразно учитывать наличие эвтектики в их структурно-фазовом составе (рис.3.1, б). Так, структура доэвтектических сплавов состоит из А+Эвт (А+В) (см.сплав 2), а структура заэвтектических – из В+Эвт (А+В) (сплав 1), т.е. имеются крупные и мелкие одноименные зерна. Количество каждой структурной составляющей, от которого зависят свойства сплава, может быть вычислено по правилу отрезков применительно к эвтектической температуре. П  ри оценке прочностных и других свойств следует иметь в виду, что та часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем часть, представленная более крупными зернами избыточной фазы. Рис. 3.2 Зависимость характера изменения прочности сплавов от рода диаграммы состояния Если бы размер зерен у всех структурных составляющих сплавов был одинаков, то прочность изменялась бы строго по линейному закону (рис.3.2, а; АВ). Такое изменение свойств обусловлено законом аддитивности, согласно которому каждая из двух фаз вносит в суммарную прочность сплава часть своей прочности, соответствующей доле этой фазы в сплаве. В связи с этим прочность любого сплава σ может быть вычислена по формуле  (3.2)где η – доля фазы А в структуре сплава; σА и σВ - прочности фаз А и В. Поскольку эвтектическая часть сплава обладает более высокой прочностью, фактическое изменение этого свойства будет происходить по кривой АСВ (рис.3.2, а). Аналогично с учетом их характера и в зависимости от состава изменяются и другие свойства сплавов (полная реакция сплава на внешнее воздействие складывается из реакций зерен обеих фаз). 3.2 Диаграмма состояний II рода (твердый раствор с неограниченной растворимостью) П  ри неограниченной растворимости компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы решеток и сходное строение наружных электронных оболочек, получают диаграммы II рода. Рис. 3.3 Диаграмма состояния II рода (а); характер кристаллизации сплавов и схема их фазового строения (б) На диаграмме можно различить три фазовые области (рис.3.3, а)
Фаза α представляет собой твердый раствор компонентов А и В. Зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку. Однако, у сплавов разного состава число атомов компонентов А и В в элементарных ячейках различно. 3. Область, расположенная под линией солидуса, является однофазной (фаза α). В отличие от сплавов смесей зерен практически чистых компонентов каждый из затвердевших сплавов на рассматриваемой диаграмме состояния представляет собой совокупность внешне ничем не отличающихся друг от друга зерен фазы α (рис.3.3, б). Кристаллизация α – фаз в сплавах разного состава происходит в соответствии с правилом отрезков. Если проследить специфику кристаллизации какого-нибудь из сплавов, например сплава 1 (рис.3.3), то, согласно правилу отрезков, в двухфазной области составы жидкой и твердой фаз в зависимости от температуры изменяются соответственно по линиям ликвидуса и солидуса (рис.3.3, а; изотермы 1, 2, 3 и 4). Составы жидкой фазы от точки l1 до l4 выражаются через  ,  ,  и  , а составы твердой фазы α изменяются от  ,  ,  до  = В1.Количество из сосуществующих при каждой из температур фаз α и Ж определяется соответствующими отрезками изотерм. Причем, отрезки, находящиеся слева от вертикали 1, определяют количество фазы α. Длины отрезков, находящихся справа, пропорциональны количеству фазы Ж. В случае равновесной кристаллизации, происходящей при достаточно малой скорости охлаждения сплава, к концу кристаллизации (изотерма 4) состав окончательно сформировавшейся фазы α4 должен соответствовать исходящему составу сплава В1 (в данном случае сплава 1). Это обусловлено непрерывно происходящей диффузией между обеими фазами. В случае ускоренного охлаждения сплава при кристаллизации диффузионные процессы не успевают завершиться. В связи с этим центральная часть каждого зерна оказывается обогащенной более тугоплавким компонентом (в данном случае В), а периферийная – легкоплавким компонентом (А). Это явление называется дендритной ликвацией, снижающей прочностные и другие свойства сплавов. Ее предотвращение возможно за счет медленного охлаждения сплава, обеспечивающего его равновесную кристаллизацию. В случае возникновения дендритной ликвации она может быть устранена путем длительного, так называемого диффузионного отжига сплава. Происходящие при этом диффузионные процессы выравнивают химический состав в зернах. У сплавов – твердых растворов – прочность и другие свойства зависимости от состава изменяются по криволинейному закону (рис.3.2, б). |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения | | Учебно-методический комплекс ростов-на-Дону 2009 Учебно-методический... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Адвокатская деятельность и адвокатура» разработан в соответствии с образовательным стандартом... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Макроэкономика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |  | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Примерная структура, состав и содержание учебно-методического комплекса... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Социология рекламной деятельности» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психология стресса» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психодиагностика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы патопсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Анатомия цнс» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «земельное право» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы нейропсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
