🗊Презентация Материаловедение как наука

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно.» М.В. Ломоносов

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами. В технике под металлами понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью.

Черные металлы Для них характерны: темно-серый цвет; большая плотность; высокая температура плавления; во многих случаях - полиморфизм. Наиболее типичный представитель этой группы металлов – железо.

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ Железные металлы: Fe; Co; Ni; Mn… Тугоплавкие металлы: W; V; Cr… РЗМ: La; Ce; Nd… Урановые металлы – актиниды. Щелочноземельные металлы.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Для них характерны: определенная окраска; высокая пластичность; малая твердость; относительно низкая температура плавления; отсутствие полиморфизма. Наиболее типичный представитель этой группы – медь.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Легкие металлы: Be; Mg; Al. Благородные металлы: Ag; Au; металлы платиновой группы; полублагородная медь. Легкоплавкие металлы: Zn; Hg; Sn; Pb…

Кристаллическое строение металлов Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Поэтому в физике кристаллическое и твердое состояние – синонимы. Кристаллическое состояние можно представить в виде пространственной решетки, в узлах которой расположены атомы.

Кристаллическое строение металлов Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку. Принятое изображение кристаллических решеток – условно.

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК

Реальное строение металлических кристаллов Строение металлов является поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в металле называют зернами. Ориентация кристаллической решетки в зерне случайна. При холодной обработке давлением возникает текстура – преимущественная ориентировка зерен.

Реальное строение металлических кристаллов Точечные дефекты кристаллического строения:

Реальное строение металлических кристаллов Линейный дефект кристаллической решетки – краевая дислокация.

Строение слитка Впервые описано Д.К. Черновым в 1878 г.

Форма кристаллических образований Схема дендрита (древовидного кристалла) Д.К. Чернова.

Превращения в твердом состоянии: аллотропия Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.

Аллотропия железа

Строение сплавов Сплав – вещество, получаемое сплавлением двух или более компонентов. Механическая смесь: компоненты, образующие сплав, не способны к взаимному растворению и не образуют соединения.

Строение сплавов Твердый раствор на основе одного из компонентов сплава: образуется в сплавах, сохраняющих однородность жидкого расплава при кристаллизации. Существует в интервале концентраций.

Строение сплавов Химическое соединение: Соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции и може6т быть выражено простой формулой (в общем виде - АnВm). Образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления.

Правило фаз C = k – f + 1 C – число степеней свободы k – число компонентов f - количество фаз 1 – число переменных Это выражение применяют к металлическим системам, считая, что давление и концентрация постоянны.

Правило фаз (закон Гиббса) Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов. Фаза: однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком. Компоненты: вещества, образующие систему. Число степеней свободы (вариантность) системы: число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз.

Диаграмма состояния Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации (давление постоянно для всех рассматриваемых случаев). Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа: строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибами на этих кривых, определяют температуры фазовых превращений. Линиями соединяют точки аналогичных превращений. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)

Правило отрезков

Диаграмма для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (2 рода)

Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (3 рода). Диаграмма с эвтектикой.

Описание процесса охлаждения сплава 2

Количественное определение фаз и структурных составляющих в сплавах

Диаграмма с устойчивым химическим соединением

Диаграмма железо – углерод. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны. Стали содержат < 2,14% углерода; чугуны содержат > 2,14% углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe3C. Устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму при этом можно рассматривать по частям от железа до Fe3C (6,67%С). Это оправдано еще и тем, что на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%.

Свойства и строение компонентов диаграммы железо - углерод Железо – Fe: Тпл =1539° С; в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: α (δ – высокотемпературная модификация) - решетка о.ц.к. и γ –решетка г.ц.к.; при 768°С происходит магнитное превращение; с углеродом железо образует растворы внедрения; твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом, а в γ-железе – аустенитом. Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe3C: Тпл = 1250°С; кристаллическая решетка крайне сложна; аллотропических превращений не испытывает; магнитные свойства теряет при 217°С; имеет практически нулевую пластичность; при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода (графита); твердый раствор металлов на базе решетки цементита называют легированным цементитом.

Обозначения, принятые для дальнейшего изложения. L – жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существует выше линии ликвидус ABCD. Ц – цементит, соответствует линии DFKL. Ф – феррит – структурная составляющая, незначительный раствор углерода в α-железе, на диаграмме располагается левее линий GPQ и AHN. А – аустенит – структурная составляющая, твердый раствор углерода в γ-железе, область на диаграмме NJESG/

Нонвариантные реакции на диаграмме Т=1499°С (линия HJB): L(B)+Ф(H)→A(J) - перетектическая реакция, наблюдается только у сплавов с содержанием углерода от 0,1% до 0,5%. Т=1147°С (линия ECF): L(С)→А(H)+Ц – эвтектическая реакция, наблюдается у сплавов с содержанием углерода более 2,14% С, образовавшуюся в результате реакции эвтектическую смесь называют ледебуритом. Т=727°С (линия PSK): A(S)→Ф(P)+Ц – эвтектоидная реакция, наблюдается у всех сплавов с содержанием углерода более 0,02%, образовавшуюся в результате реакции эвтектоидную смесь называют перлитом.

Процессы кристаллизации сплавов с содержанием углерода более 2,14%

Вторичная кристаллизация весьма малоуглеродистых сплавов

Вторичная кристаллизация сталей

Превращения при вторичной кристаллизации в высокоуглеродистых сплавах - чугунах

Классификация сталей По составу: углеродистые и легированные (никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.д.). По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные. По структуре после охлаждения на воздухе: перлитные, мартенситные, аустенитные. И т. д. По назначению: конструкционные инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами.

Углеродистые стали Основной металлический материал промышленности – углеродистая сталь. Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально. Технологические примеси: марганец, кремний. Постоянные примеси: сера, фосфор, кислород, азот, водород. Случайные примеси: хром, никель, медь и др..

Конструкционная углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения Химический состав:

Маркировка различных групп углеродистых сталей обыкновенного качества Группа А – с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется буквами Ст и цифрами от1 до 7, являющимися порядковым номером. Например, Ст 3. Группа Б – с гарантируемым химическим составом (подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется аналогично группе А, но с дополнительными буквами М, К, Б, что характеризует способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский соответственно. Например, МСт3, БСт4, КСт5. Группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (подвергается сварке у потребителя)маркируется аналогично группе А, но с добавлением буквы В. Например, ВСт5.

Маркировка углеродистых сталей обычного качества разных способов раскисления В зависимости от способа раскисления (с целью удаления кислорода) предлагаемые стали маркируют следующим образом: Кипящая сталь - раскисленная только марганцем, содержит в марке буквы кп. Например, МСт1кп. Кипящие стали имеют наиболее низкое качество. Спокойная сталь – раскисленная марганцем, кремнием и алюминием, содержит в марке буквы сп. Например, ВСт3сп. Спокойные стали имеют наиболее высокое качество. Полуспокойная сталь – раскисленная марганцем и алюминием, содержит в марке буквы пс. Например, МСт4пс. Промежуточный вариант качества между кипящей и спокойной сталью.

Влияние углерода на свойства сталей

Влияние постоянных примесей на свойства стали Марганец – вводится в любую сталь для ракскисления, поэтому его влияние на сталь различного состава остается примерно одинаковым; оказывает положительное воздействие на свойства стали (прежде всего повышает прочность). Кремний – вводится в сталь для раскисления, структурно не обнаруживается. Фосфор – попадает в сталь из руды, топлива и флюсов; вызывает хладноломкость стали (склонность к хрупкому разрушению при понижении температуры); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание фосфора до 0,15%). Сера – попадает в сталь из руды и печных газов; вызывает явление красноломкости стали (охрупчивание стали при температуре красного каления ≈ 800°С); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание серы до 0,3%). Газы – содержание в стали зависит от способа производства; при большом количестве водорода могут образоваться опасные флокены; кислород и азот образуют неметаллические включения (соответственно оксиды и нитриды).

Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества

Конструкционные углеродистые качественные стали общего назначения 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60 Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Применение конструкционных углеродистых качественных сталей общего назначения

Углеродистые инструментальные стали У7; У7А; У8; У8А; У9; У9А; У10; У10А; У12; У12А. Цифра в марке – содержание С в десятых долях %

Быстрорежущие стали Стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, должны обладать горячей твердостью и красностойкостью (устойчивым сохранением твердости в нагретом состоянии при 500-600°С).Красностойкость создается легированием стали элементами, образующими специальные карбиды, которые не растворяются до высоких температур. Износостойкость режущего инструмента в первом приближении характеризуется твердостью в нагретом состоянии. Быстрорежущие стали – износостойкий материал. Буква Р в марке стали от слова рапид (скорость).

Твердые сплавы

Конструкционные легированные стали Система маркировки по ГОСТу Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой. Например, Н – никель, Х – хром, М – молибден, Г – марганец, С – кремний, Ю – алюминий и т.д. Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах ( при содержании элемента менее 1% цифра отсутствует). Примеры: 30ХМА; 10ГН2МФА; 20Х2Н4; 30ГСЛ и т.д. Буква А в конце марки стали показывает, что в ней ограничено содержание серы и фосфора, а в середине марки – азот; буква Л в конце марки стали – литейная сталь (точнее - улучшенные литейные свойства).

Примеры применения конструкционных легированных сталей

Процесс графитизации

Чугуны Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома; структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т.е. весь углерод находится в форме цементита; свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом; марки: ИЧХ3, ИЧХ5, ИЧХ15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…); применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц).

Серые чугуны Излом такого чугуна имеет серый цвет. Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1) ; серый феррито-перлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3).

Серые чугуны В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита, который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна.

Марки серых чугунов

Механические свойства металлических материалов и методы их определения Аспекты выбора материалов для изготовления деталей машин и механизмов: Механические (конструкционные) свойства материалов. Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют процесс получения узлов и деталей макшин с наилучшими служебными свойствами. Методы определения технологических свойств стандартизованы.К числу важнейших относятся: свариваемость, паяемость, упрочняемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства и технологическая деформируемость. Экономические параметры, связанные с изготовлением деталей.

Механические свойства металлических материалов и методы их определения Детали должны выдерживать (передавать) различные нагрузки: статические, динамические, циклические, тепловые и др. Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям, (т.е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость нагружения и т.д.) может иметь различные механические свойства. Количественная оценка механических свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики проведения испытаний стандартизованы.

Испытание на растяжение Разрушение образца из пластичного материала

Диаграмма растяжения с площадкой текучести σпц, σуп и σт– пределы пропорциональности, упругости и текучести; σв – временное сопротивление; σр – напряжение в момент разрыва.

Диаграмма растяжения без площадки текучести σ0,2 – условный предел текучести σр,ист – истинное напряжение в момент разрыва

Испытание на сжатие

Диаграммы растяжения и сжатия пластичного и хрупкого материалов

Испытания на изгиб

Методы определения твердости материалов. Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна из характеристик сопротивления деформации. Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d. Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса ( с различной нагрузкой). Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.

Методы определения твердости материалов. Методы HB и HRB применяют для мягких материалов; HRC - для твердых материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев (листов). Между различными методами существует примерная корреляция. По соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним из методов в значения твердости соответствующие другим методам. Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел прочности: НВ ≈ σв / 3. Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень небольшой нагрузке (до 100г). Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в условиях производства по отскоку стального шарика

Сплавы меди Латуни – сплавы меди с цинком – при содержании цинка до 45%. Свойства латуней: Сплав обладает высокой пластичностью, которая достигает максимального значения при 30% Zn. Латуни легко поддаются пластической деформации. Литейные свойства латуней: малая склонность к ликвации; хорошая жидкотекучесть; склонность к образованию концентрированной усадочной раковины. Механические свойства латуней: невысокая прочность – σв = 300 – 350 МПа при δ% = 40% - 20%. Марки латуней: Двойные латуни: Л62 (62%Cu; 38% Zn) Л68; Л70; в том числе ювелирные латуни (томпаки): Л80; Л85; Л96. Специальные латуни: ЛС59-1 – автоматная латунь (59%Cu;1% Pb; 40% Zn); морская латунь – ЛО60-1 (60%Cu; 1%Sn; 39% Zn); латунь с повышенной прочностью – ЛАН59-3-2 (59%Cu; 3%Al; 2%Ni; 36%Zn).

Сплавы меди Оловянистые бронзы – сплавы меди с оловом. Свойства оловянистых бронз: Бронзы, содержащие более 5% – 6% Sn обладают низкой пластичностью, их не куют и не прокатывают, а применяют в литом виде. Высокие литейные свойства бронз определяются прежде всего малой усадкой (менее 1%) при довольно низкой жидкотекучести. Бронзы обеспечивают высокую стойкость против истирания; бронза с 10% олова - наилучший антифрикционный материал. Высокая химическая стойкость. Применение: Отливки сложной формы, в т.ч. художественное литье. Вкладыши подшипников какчения. Арматура (паровая, водяная и др.)

Сплавы меди Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и др. элементами также называют бронзами: алюминиевыми, кремнистыми, бериллиевыми и т.д. Эти бронзы не имеют такой низкой усадки как оловянистакя бронза, но превосходят ее по механическим свойствам (алюминиевая, кремнистая), по химической стойкости (алюминиевая), по жидкотекучести (кремнистая), по твердости и упругости (бериллиевая). Марки бронз БрО10 90%Cu; 10%Sn БрОЦСН 3-7-5-1 84%Cu; 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni БрАЖН 10-4-4 82%Cu; 10%Al; 4%Fe; 4%Ni

Термическая обработка Технология металлов включает в себя: Металлургию – получение металла заданного состава. Механическую технологию – получение из металла изделий заданной формы. Термическую обработку – получение заданных свойств. Параметры термической обработки: Максимальная температура нагрева – tmax. Время выдержки сплава при температуре нагрева - τв . Скорость нагрева - vнагр . Скорость охлаждения – vохл. Режим термической обработки можно представить в виде график в координатах температура - время

Основные виды термической обработки Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние. Отжиг (второго рода) – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава. Закалка – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Отпуск – нагрев закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния .

Сложные виды термической обработки Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев. В данном случае используется способность металлов растворять различные, окружающие их поверхность элементы, атомы которых, при повышенных температурах, могут дифундировать в металлы. Термомеханическая (термопластическая) обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа

Виды термической обработки стали

Четыре основных превращения в стали Превращение перлита в аустенит при нагреве: П→А. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении: А→П. Превращение аустенита в мартенсит при закалке: А→М. (Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Превращение мартенсита в перлит (феррито – карбидную смесь) чаще всего при нагреве: М→П. Представленные фазовые превращения используются при термообработке и обусловлены изменением температуры.

Практическое значение температуры рекристаллизации Горячая обработка давлением – пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации. При этом упрочнение металла, если и произойдет, то будет немедленно сниматься процессами рекристаллизации, протекающими при этих температурах. Холодная обработка давлением – пластическая деформация ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка вызывает наклеп (нагартовку) металла – упрочнение металла под действием пластической деформации.

Образование аустенита

Отжиг пластически деформированного металла

Распад аустенита Диаграмма изотермического превращения аустенита

Превращения при отпуске Исходная структура: мартенсит – структура закаленной стали. Мартенсит – структура, обладающая наибольшим объемом, а аустенит – минимальным. Первое превращение: в интервале температур 80° - 200°С образуется мартенсит отпуска, при этом тетрагонапьность решетки мартенсита уменьшается вследствие выделения карбидов. Второе превращение: в интервале температур 200° - 300°С происходит распад остаточного аустенита с образованием мартенсита отпуска, при этом объем увеличивается. Третье превращение: в интервале температур 300° - 400°С происходит снятие внутренних напряжений, возникающих в результате предыдущих превращений, сопровождавшимися объемными изменениями. Четвертое превращение: выше 400°С происходит интенсивная коагуляция карбидов, образуется смесь Ф + Ц в виде тростита (350° - 500°С) или сорбита (500° - 600°С).

Влияние параметров закалки на твердость стали

Влияние температуры отпуска на свойства закаленной стали 40

Практика термической обработки Закалка стали. Закаливаемость – характеризуется максимальным значением твердости, приобретенным сталью в результате закалки. Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны.

Внутренние напряжения при закалке Внутренние напряжения первого рода (термические): зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, тем больше напряжения первого рода. Внутренние напряжения второго рода (структурные): возникают внутри зерна или между соседними зернами. Эти напряжения возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новой фазы с иным объемом. Остаточные напряжения – напряжения, которые сохранилась в детали в результате охлаждения. Отпуск – необходимое и радикальное средство уменьшения остаточных напряжений.

Химико-термическая обработка. Преимущества по сравнению с закалкой ТВЧ: Независимость от внешней формы изделия. Большее различие между свойствами сердцевины и поверхности. Последствия перегрева могут быть устранены последующей термической обработкой. Виды ХТО: Цементация – насыщение поверхности детали углеродом с последующей закалкой, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Азотирование – насыщение поверхности детали азотом, которое осуществляют на готовых деталях, т.к. азотированный слой обладает высокой твердостью, а размеры изделий изменяются после азотирования крайне мало. Цианирование. Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности деталей металлами. Например: хромирование или алитирование для повышения жаростойкости изделий.