4445

Теоретическое материаловедение. Строение и свойства чистых металлов

Конспект

Химия и фармакология

Строение и свойства чистых металлов - изучить типы связей атомов в веществе - изучить кристаллическое строение металлов - изучить дефекты кристаллического строения - знать понятие микроструктуры. Воспитательные: - воспитание умений логического...

Русский

2012-11-20

3.13 MB

100 чел.

Строение и свойства чистых металлов

- изучить типы связей атомов в веществе;

- изучить кристаллическое строение металлов;

- изучить дефекты кристаллического строения;

- знать понятие микроструктуры.

2. Воспитательные:

- воспитание умений логического обобщения;

- воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3. Развивающая:

- развитие пространственного мышления;

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

  1.  Плакат по видам кристаллических решеток, с примером индексов кристаллографических плоскостей и направлений в кубической решетке и классификация дефектов кристаллического строения

Литература, использованная при подготовке к лекции:

 Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986

Колесова С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.

Материаловедение. Учебн для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.

Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностр. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.

Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб.– 2-е изд. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.

План лекций

  1.  Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)
  2.  Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

1 Типы связей атомов в веществе (15 мин).

2 Кристаллические и аморфные твердые тела. Параметры кристаллической решетки(15мин).

3 Дефекты кристаллического строения (15 мин)

4 Понятие микроструктуры (15мин).

  1.  Заключение (контрольные вопросы на самоподготовку)(10 мин)


ВСТУПЛЕНИЕ

Материаловедением называется наука, изучающая наиболее важные свойства металлов и неметаллов в зависимости от их химического состава, физического строения, структуры и обработки.

В химии все вещества делятся, как известно, на металлы и неметаллы. Металлы расположены в левой части Периодической таблицы Менделеева (левее галлия, индия и таллия). Почти 80 % чистых веществ в природе – металлы. Внешние электроны у металлов не прочно связаны с ядром, на наружных электронных оболочках электронов не много (как правило 1-2), поэтому металлы, вступая в связь с неметаллами, легко отдают свои валентные электроны;

Металлы характеризуются рядом особенных свойств:

  •  металлический блеск;
  •  высокая тепло- и электропроводности;
  •  способность к пластической деформации.

Сплавы на основе железа называются черными, все остальные – цветными.

Легкие металлы – Al, Ti, Be, Mg, Li.

Легкоплавкие металлы – Zn, Hg, Pb, Sb.

Тугоплавкие металлы (температура плавления больше температуры плавление железа 15350С) – W,Ta,Nb.

Благородные металлы – Au, Ag, Pt.

Урановые элементы – актиниды.

Редкоземельные металлы – лантаниды.

Щелочно-земельные металлы – K, Na, Li

С точки зрения атомного стоения металлы можно подразделить на:

  •  простые с полностью заполненными или пустыми внутренними электронными оболочками;
  •  переходные (25 элементов), в которых заполнение внешних электронных оболочек происходит при частичном заполнении внутренних, такие металлы, как Fe, Ni,Co, W, Ti, Mo, Cr, Mn, Sm, Sc.

Простые металлы – диамагнетики.

Переходные металлы – либо парамагнетики, либо ферромагнетики за счет наличия некомпенсированных электронов.

Вопрос № 1. Типы связи атомов в веществе 

Существуют 4 типа связи атомов в веществе:

1 – ионная (галоидно-водородные соединения типа НСl, галоидные соединения щелочных металлов NaCl, окислы и т.п.), взаимодействие двух противоположно заряженных составных частей сводится к электростатическому их притяжению, силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими (кулоновскими), такая связь называется гетерополярной;

2 – ковалентная (СН4, алмаз, графит, кремний, германий), характеризуется направленностью и жесткостью, наблюдается в кристаллах неметаллических элементов, валентные электроны одновременно принадлежат к двум соседним атомам, причем каждый атом стремится иметь максимальное число соседей, отдавая для связи с ним один из неспаренных электронов, связь гомеополярная;

3 - металлическая, в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла, между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов, связь ненаправленная и нежесткая, т.к. свободные электроны не принадлежат определенному атому и распределены равномерно, отсюда и высокая пластичность металлов;

4 – Ван-дер-Ваальсова, когда в узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы, силы связи между молекулами описываются законом Ван-дер-Ваальса (Ar, Н2, О2, СО2, Н20).

Для переходных металлов характерна смешанная связь – металлическая и ковалентная. Чем больше ковалентная связь, тем хуже металлические свойства, пластичность металлов и электропроводность уменьшаются.

Таблица 1 – Виды связей в кристаллической решетке и ее представители

Вид связи

Представитель связи

Энергия связи

ккал/моль

Ионная

Ковалентная

Металлическая    Ван-дер-Ваальсова

NaCl

алмаз

Na (простой)

Fe (переходный)

Ar

180

170

26

95

1,8

Понятие порядка и беспорядка в пространственном расположении частиц. В газах атомы (молекулы) расположены хаотически, беспорядочно, вследствие чего газы не имеют определенной формы и принимают форму сосуда, в котором они находятся. Частицы в газах хаотически двигаются, отталкиваются друг от друга и газ стремится занять возможно больший объем. Молекулы газа взаимодействуют друг с другом с силами, быстро убывающими с увеличением расстояния между молекулами. Все направления движения молекул газа равновероятны, о чем свидетельствует то обстоятельство, что давление газа на стенки сосуда всюду одинаково. Молекулы газа движутся с самыми различными скоростями, причем как величина, так и направление скорости каждой отдельно взятой молекулы непрерывно меняются из-за соударений (каждая молекула претерпевает в секунду примерно 109 соударений).

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами, сочетая в себе черты этих обоих состояний. Например, для жидкости, как и для кристаллических тел, характерно наличие определенного объема, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором она находится. Как и в кристаллических телах, в жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок не устойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний.

В кристаллических твердых телах, в том числе и металлах, расположение атомов полностью упорядочено, о чем можно судить по часто встречающейся симметрии их внешней формы, правильной внешней органке. В кристаллах имеет место дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного, заключается в наличии анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических,оптических) от направления. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, являются изотропными (газы, жидкости, аморфные тела).

Вопрос № 2. Кристаллические и аморфные твердые тела. Параметры кристаллической решетки

Расположение атомов в кристаллических веществах всегда может быть представлено как совокупность параллелепипедов, образующих трехмерную решетку, в каждом параллелепипеде или элементарной ячейке расположение атомов одно и то же. Атомы (положительно заряженные ионы) располагаются в узлах параллелепипеда. В кристалле каждый атом имеет одно и тоже количество ближайших соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии.

Длины ребер элементарной ячейки называются первичными трансляциями, поскольку всю решетку можно построить путем бесконечно повторяющегося переноса элементарной ячейки по трем осям координат.

Аморфные тела представляют собой сильно переохлажденные жидкости, частицы которых вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность. В некоторых случаях при больших переохлаждениях подвижность молекул жидкости, не имеющей зародышей кристаллизации, оказывается столь незначительной, что метастабильное состояние может сохраняться очень долго. Жидкость в каких случаях обладает весьма малой текучестью и представляет собой аморфное твердое тело. Кривая нагрева аморфного тела выглядит иначе по сравнению с кристаллическим. При равномерном подводе тепла температура аморфного тела непрерывно растет. Для аморфных тел нет определенной температуры перехода в жидкое состояние. Этот переход совершается непрерывно, а не скачком. Можно лишь указать интервал температур, в пределах которого происходит размягчние тела. Это объясняется тем, что жидкости и аморфные тела отличаются лишь степенью подвижности молекул. Аморфные тела не обнаруживают анизотропии. Примерами аморфных тел служат стекло, смолы, битумы и т.п.

Параметры идеального кристаллического строения. Совокупность атомов или молекул, находящихся в узлах решетки называется базисом решетки. Базис решетки характеризуется векторами и произвольными углами между ними а1, а2, аз и 1, 2, з.

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно друг другу, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку. Расположение атомов в кристаллах удобно изображать в виде пространственных схем – элементарных кристаллических ячеек.

Размеры элементарных кристаллических ячеек характеризуются параметрами или периодами решетки а – длина ребра куба или расстояние между двумя параллельными плоскостями. Параметры имеют размеры порядка атомных и измеряются в ангстремах.

Координационное число К – это число ближайших равноудаленных от данного атома соседей.

ОЦК – К=8  (К8)            ГЦК – К=12  (К12)     ГПУ – К=12  (Г12)

Простая кубическая к – К=6  (К6)

Гексагональгая – К=6  (Г6)

Плотность упаковки решетки =Vат/Vяч

К=12    -   =74%

К=8    -   =68%

К=6   -   =50%

К=4    -   =25%

Число атомов, принадлежащих данной ячейке n.

ОЦК  -  n=2

ГЦК  -  n=4

Простые и сложные кристаллические структуры. Методом дифракции рентгеновских лучей через кристаллические материалы было выявлено 230 пространственных групп, объединенных в 32 класса или в 7 систем. Действительно, возможно 7 комбинаций 6 чисел (а12, а3, 1, 2, 3).

7 выделенных систем:

1 – триклинная:

а1а2аз

12з

элементарная ячейка имеет форму косоугольного параллелепипеда;

  1.  – моноклинная:

а1а2аз

1=2=900

з900

элементарная ячейка имеет форму прямой призмы, в основании которой лежит параллелограмм (т.е. форму прямого параллелепипеда);

  1.  ромбическая:

а1а2аз

1=2=з =900

элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда;

  1.  тетрагональная:

а12аз

1=2=3=900

элементарная ячейка имеет форму прямой призмы с квадратным основанием;

  1.  ромбоэдрическая:

а12з

1=2=3900

элементарная ячейка имеет форму куба, деформированного сжатием или растяжением вдоль диагонали;

  1.  гексагональная:

а12аз

1=2=900

з=1200

  1.  кубическая система:

а12з

1=2= аз=900

элементарная ячейка имеет форму куба.

Пример – ОЦК и ГЦК, ГПУ (рис.1)

Рисунок 1 – Основные типы кристаллических решеток металлов:

а – кубическая объмно-центрированная (ОЦК); б – кубическая гранецентрированная  (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Кристаллографические обозначения атомных направлений и плоскостей.

Индексы Миллера. Чтобы определить индексы плоскости нужно:

1 – определить отрезки на осях координат, отсекаемые этой плоскстью;

2 – выразить эти отрезки в параметрах решетки;

3 – взять числа, обратные полученным;

4 - сделать числа целыми.

Например, плоскость октаэдра 111. У ГПУ индексы – 4 числа.

Индексы направления определяются по координатам ближайшего атома в данном направлении. Пример ( рисунок 2)

Рисунок 2 – Индексы кристаллографических плоскостей и

направлений в кубической решетке (ОЦК)

Хотя координаты атома в центре [ ½ ½ ½ ], но должны быть только целые числа, т.е. [111]. Для направления 2 – [110].

Индексы направлений и индексы перпендикулярных им плоскостей совпадают (только для кубической системы).

Вопрос № 3. Дефекты кристаллического строения

Размер и конфигурация дефектов. Реальные кристаллы имеют дефектную структуру. Дефект кристаллической решетки – это область, где нарушено расположение атомов и окружение соседних атомов не идентично окружению в идеальном кристалле. Дефект – это любое искажение кристаллической решетки.

Дефекты классифицируют по их размерам. Различают:

1 – нуль-мерные (точечные) – вакансии, межузельные атомы, примесные атомы.

Образование вакансий – самопроизвольный процесс. Это беспорядок, который необходим порядку в других узлах кристаллической решетки; основной механизм образования вакансий – растворение пустоты в кристалле (по Шотки, т.е. внешнее испарение); основной источник вакансий – линейные, объемные и поверхностные дефекты. В металле всегда присутствуют примесные атомы – это прежде всего растворенные водород, азот, углерод и т.п.. В решетке одного металла могут растворятся другие металлы(во сплавах) с большим атомным радиусом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансии; б – атом внедрения; в – примесный атом внедрения

Около вакансий и межузельных атомов решетка всегда будет искажена. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом, например, примесные атомы могут присутствовать в месте вакансии, тогда общее искажение решетки уменьшается.

Точечные дефекты играют большую роль в протекании диффузионных процессов в металлах.

2 – одномерные (линейные) – цепочки точечных дефектов, дислокации.

Дислокации – это линейный дефект, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей. Край лишней полуплоскости (экстраплоскости) наз. краевой дислокацией (рисунок 4). Винтовая дислокация – граница незавершенного сдвига.

Рисунок 4 – Схема винтовой дислокации

Дислокации характеризуются вектором Бюргерса ( b ), который показывает направаление и величину смещения кристаллической решетки при движении дислокации. b имеет постоянное значение вдоль линии дислокации. Вектор Бюргерса характеризует энергию искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Кроме того важной характеристикой является плотность дислокаций , характеризующая суммарное количество дислокаций в металле. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций в см, приходящуюся на 1 см3 , т.е. размерность - см-2. Для металлов плотность дислокаций колеблется обычно в пределах 108-1013 см-2, т.е. миллион км дислокаций в 1 см3.

В отличие от точечных дефектов (вакансий) дислокации не двигаются самопроизвольно и хаотически. Но достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе – линию скольжения. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом. Разноименные дислокации в одной плоскости притягиваются и могут аннигилировать, одноименные – отталкиваются. Если дислокации находятся в параллельных плоскостях, то они занимают положение, соответствующее минимальной энергии. При движении дислокаций, находящихся под углом друг к другу, могут пересекаться, образуя сидячие дислокации.

Дислокация никогда не обрывается в кристалле, она либо выходит на поверхность, либо замыкается. Примесные атомы, как правило скапливаются у дислокаций, образуя атмосферы Коттрелла. Они затрудняют движение дислокаций.

3 – двумерные (поверхностные) – поверхность кристалла, границы блоков, зерен, двойников, дефектов упаковки. Между зернами имеется пограничный слой с сильно искаженной структурой и с высокой концентрацией точечных и линейных дефектов кристаллической решетки. Граница зерна обладает всегда избыточной поверхностной энергией. Аналогично границы блоков, двойников, дефектов упаковки имеют повышенную поверхностную энергию.

Рисунок 5 – Схема образования двухмерного дефекта

4 – трехмерные (объемные) – различные включения или выделения, поры. В реальном металле, особенно в сплавах, всегда присутствуют различные включения – неметаллические, частицы твердых фаз (карбидов, силицидов), а также микропоры, которые могут быть источниками зарождения микротрещин в процессе эксплуатации изделия.

Вопрос № 4. Понятие микроструктуры.

Зерно в металле не является монолитным, а состоит из отдельных блоков размерами 10-5 – 10-3 см (1000-100000 А), кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозайки. Часто блоки объединяются в более крупные фрагменты, которые также разориентированы относительно друг друга на угол в несколько градусов. Зерна металла разориентированы относительно друг друга на величину в несколько десятков градусов. Такая трехступенчатая структура не обязательна. Зерна могут состоять из фрагментов без внутренней блочной структуры или только из блоков. Термический процесс, вызывающий деление зерна на фрагменты, называется фрагментацией или полигонизацией

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом пли при небольшом увеличении в 30 40 раз) и микроструктуру (строение металла пли сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру можно исследовать по излому и на специальных макрошлифах. Изучение излома - наиболее простой метод выявления кристаллического строения металлов. По излому можно судить о размере зерна, особенностях выплавки и литья (температуре литья, скорости и равномерности охлаждения сплава и т. д.), термической обработке, а следовательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению.

При изучении макроструктуры на специальных макрошлифах (темплетах образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно определить форму и расположение зерен в литом металле; волокна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповках, дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т, д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термической (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает взаимное расположение фаз их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляю  микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или электронном.

Для рассмотрения микрошлифов при исследовании микроструктуры металлов применяют специальные микроскопы, в которых луч от источника света, отражаясь от шлифа, проходит через объектив и окуляр, давая соответствующее увеличение.

Иногда требуется рассмотреть более грубые детали структуры –конгломераты отдельных более или менее однородных зерен и т. д. В этом случае после глубокого травления шлиф рассматривают глазом (или при помощи лупы). Выявленная таким образом структура называется макроструктурой (а шлиф – макрошлифом).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое использование в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материалов в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, химические, механические, технологические и специальные.

Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются друг относительно друга, т. е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания частотой 1013 Гц с изменяющейся в зависимости от температуры амплитудой.

Таким образом, сущность кристаллического строения металлов заключается в упорядоченном расположении в них атомов друг относительно друга.

Контрольные вопросы:

1 В чем сущность кристаллического строения металлов?

2 Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

3 Как обозначаются кристаллографические направления в плоскости?

4 Какие существуют дефекты кристаллического строения?

5 Какие вещества называются металлами?


Лекция № 12. Строение и свойства металлических сплавов

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить виды фаз в сплавах;

- изучить химический состав сплава;

- изучить диаграммы состояния сплавов;

- знать понятие фазового состава сплава;

- знать диаграммы фазового равновесия.

2. Воспитательная:

- формирование познавательной потребности, стремления к глубокому усвоению материала.

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

- развитие навыков построения диаграмм

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Плакат диаграммы состояния сплавов.

Литература, использованная при подготовке к лекции:

Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.

Материаловедение. Учеб. для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.

Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностр. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.

Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб.– 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.

Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кноров, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. – 800 с.

План лекций

  1.  Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)
  2.  Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

  1.  Виды фаз в сплавах (20 мин).
  2.  Химический состав сплава. Диаграммы фазового равновесия (20мин).
  3.  Диаграммы состояния для сплавов (20мин).

3 Заключение (контрольные вопросы на самоподготовку). (10 мин)


ВСТУПЛЕНИЕ

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Способы приготовления сплавов: сплавление, реже спекание, электролиз или возгонка

Сплавы — сложные вещества, получаемые сплавлением или спекание двух 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 (свыше 50% по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов.

В данной лекции рассматриваются особенности строения и свойств двойных, или двухкомпонентных, сплавов. Полученные при этом знания и представления послужат теоретической основой для уяснения природы и специфики свойств сплавов, состоящих из трех и большего числа компонентов. Этому благоприятствует то обстоятельство, что основу большинства многокомпонентных сплавов, как правило, составляет какой-нибудь двойной сплав. Например, основу легированных сталей составляет сплав железа с углеродом. Основа всех многокомпонентных цветных сплавов (латуней, бронз, титановых и других сплавов), как правило, состоит из двух главных компонентов.

Вопрос № 1. Виды фаз в сплавах

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Существуют устойчивые и неустойчивые химические соединения. У устойчивого строго определенная температура плавления, а у неустойчивого плавление происходит в интервале температур. Различают химические соединения с нормальной валентностью, электронные соединения и фазы внедрения.

Характерные особенности:

1 – кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение; обычно сложная кристаллическая решетка;

2 – в соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение элементов, АnВm где n и m простые числа;

3 – свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;

4 – температура плавления (диссоциации) постоянная;

5 – образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения с нормальной валентностью: Mg2Pb, MgS, Mg3Sb2 и др.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами. Химическая связь между атомами в интерметаллидах обычно металлическая. Пример: NiAl, Ni3Al,

Электронные соединения не подчиняются правилу валентности, но имеют определенную электронную концентрацию. Пример: - фаза СuZn с электронной концентрацией 3/2, -фаза Cu5Zn8 c электронной концентрацией 21/13 и - фаза CuZn3 с электронной концентрацией 7/4. Электронные соединения имеют также свою кристаллическую решетку, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью, имеют переменный состав.

Фазы внедрения – на основе химических соединений, фазы переменного состава. Образуют переходные металлы Fe, Mn, Cr, Mo с элементами, имеющими малый атомный радиус (углеродом, азотом, бором, водородом). При образовании фазы внедрения меняется решетка растворителя. Пример: TiC, Fe4N, W2C.

Фазы Лавеса имеют общую формулу АВ2, образуются между компонентами с соотношением атомных диаметров 1,2 (1,1 – 1,6). Имеют гексагональную или гранецентрированную кубическую решетки. Пример: CaAl2, AgBe2,TiCr2.

-фазы – образуют соединения переходных металлов, содержит примерно 50% каждого из образующих элементов. Обладает повышенной твердостью и хрупкостью, нежелательна в сплавах. Пример: FeCr, VMn, CoCr, FeMo.

Твердые кристаллические растворы. Твердыми растворами называют фазы переменного состава, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры.

Твердые растворы замещения образуются путем замены атомов растворителя атомами растворенного компонента.

Рисунок 1 –  Кристаллические решетки твердого раствора замещения при неограниченной растворимости компонентов.

В зависимости от соотношения атомных радиусов растворяемого элемента и растворителя параметр решетки при образовании твердого раствора замещения может уменьшаться или увеличиваться. Твердые растворы замещения могут быть упорядоченными – атомы растворенного элемента занимают строго определенные узлы кристаллической решетки растворителя.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами решетки растворителя. Пример – твердый раствор углерода, азота, водорода и бора в - или -железе (т.е. растворяются элементы с малыми атомными радиусами с недостроенными внутренними электронными оболочками). Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость, параметр кристаллической решетки увеличивается при образовании такого раствора. (рис.2)

Рисунок 2 –  Схема твердого раствора внедрения

Твердые растворы вычитания (растворы с дефектной решеткой) образуются когда при добавлении растворяемого компонента узлы решетки, где должны быть атомы растворяемого компонента заполнены, а где атомы растворителя – свободны. Такие растворы образуются только на базе химических соединений. При образовании такого раствора происходит уменьшение параметра решетки.

В отличие от химических соединений при образовании твердых растворов:

1 – сохраняется тип кристаллической решетки растворяемого компонента;

2 – состав переменный;

3 – плавление происходит в интервале температур.

4 – для образования твердого раствора не требуется тепловой расход.

Общее :

1 – свойства образующих компонент меняются, но в значительно меньшей степени.

Взаимная растворимость компонентов. 

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могу образовываться при соблюдении следующих условий:

1 – Кристаллические решетки компонентов должны быть одинаковы.

2 –Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8-15% (9 % для сплавов на основе железа).

3 – Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе Периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах. Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, растворимость ограничена.

Примеры твердых растворов с неограниченной растворимостью:

Ni-Cu, Ag-Au, Fe-Co, Fe-Cr и др.

Механические смеси кристаллов различных фаз в сплавах как результат нулевой или ограниченной растворимости компонентов.

Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь. При образовании механической смеси каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, и свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда они образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения.

Вопрос № 2. Химический состав сплава. Диаграммы фазового равновесия.

Химический состав сплава определяет его фазовый состав, свойства, режим термообработки. Обычно химический сталей и сплавов указывается в мас. %. Например: сталь 45ХН имеет следующий химический состав – 0.41-0.49 углерода, 0,17-0,37 кремния, 0,45-0,8 хрома, 1-1,4 никеля, фосфора не более 0,035, серы не более 0,035, меди не более 0,3.

Понятие фазового состава сплава. Факторы, влияющие на фазовый состав. Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.

Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазной.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов – двухкомпонентную и т.д. Устойчивые химические соединения могут быть элементами.

Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним.

Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть Достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. В связи с этим рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В подавляющем числе случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в таком состоянии, когда они обладают ограниченной устойчивостью и под влиянием внешних факторов переходят в другие более устойчивые состояния, так как их свободная энергия больше минимальной. Для целей практики важно, что метастабильные состояния нередко сообщают сплавам высокие механические или другие свойства. В этом случае материаловедение должно установить природу метастабильных состояний, обеспечивающих оптимальный комплекс свойств, и разработать режимы термической или какой-либо другой обработки, позволяющей получить эти неравновесные состояния. Исходным положением при решении этих задач является знание диаграмм фазового равновесия.

По диаграммам состояния можно определить:

– число фаз, их весовое соотношение и состав фаз (содержание, концентрация компонентов в каждой фазе) в любом сплаве при любой температуре данной системы;

– можно проследить за структурными превращениями и дать качественную оценку ожидаемой структуры в сплаве при комнатной температуре.

Диаграммы состояния строятся только для равновесных условий и не учитывают кинетику процесса превращения.

Точкой ликвидус называется точка, отвечающая началу кристаллизации, а точкой солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Представления об экспериментальных методах постороения диаграмм состояния. Термический анализ. Обычно ДС строят экспериментально в координатах температура - концентрация в весовых или реже атомных процентах.

Для построения ДС используют термический анализ, разработанный Курнаковым Н.С. экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффуктами превращений, определяют температуры соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары.

Вопрос № 3. Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механические смеси кристаллов чистых компанентов (диаграмма состояния I рода). Компоненты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом – не растворимы и не образуют химических соединений. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов. Механические смеси образуют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и олова, алюминия и кремния и др. Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. Вначале строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы (рис 3.). Температуры их кристаллизации соответствуют горизонтальным площадкам на кривых 1 и 6 (для свинца 327 °С и для сурьмы 631 °С). Далее рассматриваются несколько сплавов с соответствующим содержанием свинца РЬ и сурьмы Sb, %, например: РЬ 95, Sb 5; Pb 90, Sb 10; Pb 87, Sb 13; Pb 60, Sb 40. Строятся кривые их охлаждения (кривые 2-5 соответственно).

Кристаллизация первого сплава (5 % Sb) происходит следующим образом: приблизительно до 300 °С он остается жидким, а начиная с 300 °С скорость охлаждения замедляется, при этом начинается кристаллизация свинца; оставшаяся часть жидкого сплава обедняется свинцом, следовательно, обогащается сурьмой. Когда содержание сурьмы составит 13% , произойдет кристаллизация эвтектики при температуре 246 °С (горизонтальный участок кривой 2). Эвтектикой называют равномерную мелкодисперсную механическую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава. В данном случае эвтектика состоит из кристаллов свинца и сурьмы. Эвтектика имеет определенный химический состав (в данном случае 13 % Sb и 87 % РЬ) и образуется при постоянной температуре (в данном случае 246 °С).

Следующий сплав (10 % Sb) кристаллизуется аналогично первому, но температура начала кристаллизации у пего ниже, а температура конца кристаллизации та же 246ºС, когда содержание сурьмы в жидком сплаве составит 13 % (кривая 3). Третий сплав (кривая 4), содержащий 13 % Sb и  87% РЬ, остается жидким до 246ºС, а затем кристаллизация происходит при этой температуре с образованием эвтектики. Этот сплав кристаллизуется при постоянной температуре, самой низкой для данной системы, состоит только из эвтектики и называется эвтектическим. Кристаллизация четвертого сплава (40 % Sb) начинается при температуре около 400°С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. Жидкий сплав обедняется сурьмой и при содержании в нем 13% сурьмы и температуре 246°С происходит образование эвтектики и кристаллизация завершается.

Критические точки, полученные на кривых охлаждения, переносятся на диаграмму состояния и соединяются, получаются линии АЕВ и MEN. Линия АЕВ диаграммы является линией ликвидус: все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линия MEN является линией солидус, ниже нее все сплавы свинец – сурьма находятся в твердом состоянии. В интервале между ликвидусом и солидусом сплав состоит из двух фаз — жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. Сплавы, содержащие менее 13% Sb, лежащие слева от эвтектического сплава, называют доэвтектическими, а более 13% Sb, — заэвтектическими. Структура и свойства их резко отличаются. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой находятся избыточные кристаллы свинца, а в заэвтектических — кристаллы сурьмы. Различие структур определяет различие свойств сплавов

Рисунок 3 –  Диаграмма состояния сплавов PbSb

Чтобы определить состояние сплава любого состава при данной температуре и для нахождения его критических точек с помощью диаграммы, нужно из точки, указывающей содержание концентрации данного сплава, провести вертикальную линию до пересечения с линиями ликвидус и солидус (см. рис. 3). Точки пересечения показывают начало и конец кристаллизации заданного сплава. Например, требуется определить состояние сплава, содержащего 50 % сурьмы при температуре 400 °С. Точка пересечения вертикали с линиями ликвидус и солидус показывают, что данный сплав будет иметь две фазы — жидкий сплав и кристаллы сурьмы, так как точка соответствующая 400 °С лежит в области диаграммы BEN.

Правило отрезков. В процессе кристаллизации непрерывно изменяется концентрация фаз и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твердой увеличивается). Концентрацию (состав) и количество каждой фазы можно определить в любой точке двухфазной области диаграммы состояния, используя правило отрезков. Рассмотрим применение правила отрезков на примере изученных выше диаграмм состояния (рисунок 4). Правило отрезков формулируется следующим образом. Через заданную точку диаграммы состояния проводится горизонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Длины отрезков горизонтальной линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

На рисунке 4 показано применение правила отрезков для точки m диаграммы. Через нее проведена горизонтальная линия и отмечены точки пересечения с линиями диаграммы k и n. Проекции этих точек на ось концентраций k1 и nl показывают состав фаз. Так, для диаграммы состояния свинец - сурьма (рисунок 4,а) точка kl показывает состав жидкой фазы, а точка nl твердой фазы (100 % Sb). Для диаграммы состояния медь - никель (рисунок 4,б) точка kl показывает состав жидкой фазы, а точка nl состав твердого раствора.

Рассмотрим теперь определение относительного количества каждой фазы. Обозначим количество жидкой фазы Qж, а количество твердой фазы — Qт. (Для примера на рисунок 4,а твердой фазой является сурьма, а на рисунок 4,б— твердый раствор).

Рисунок 4 –  Пример применения правила отрезков:

а – для сплавов, образующих механические смеси,

б – для сплавов, образующих твердые растворы

Тогда, в соответствии с правилом отрезков, количества фаз обратно пропорциональны длинам соответствующих отрезков:

Если обозначить количество всего сплава Q, то ему будет соответствовать отрезок kn, и можно найти относительные количества фаз:

;

Правило отрезков может быть применено для любой двухфазной области диаграммы состояния, т.е. не только для рассмотрения кристаллизации сплава, но и для изучения процессов, происходящих в твердом состоянии. В однофазных областях диаграммы состояния правило отрезков неприменимо. Любая точка внутри однофазной области характеризует концентрацию данной фазы.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состоянии (диаграмма состояния II рода). 

Эти диаграммы соответствуют сплавам, у которых компоненты и в жидком, и в твердом состоянии образуют раствор. Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора. К таким сплавам относят медь - никель, железо - никель, железо - хром, кобальт - хром и др. Диаграммы их состояния строят так же, как диаграммы 1-го рода, на основании анализа кривых охлаждении сплавов с различным содержанием составляющих их компонентов. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов медь - никель (рис. 5). Кривая 1 является кривой охлаждения чистой меди с температурой кристаллизации 1083°С, кривая 5 — кривая охлаждения никеля с температурой кристаллизации 1452°С. Кривая 2 характерна для кристаллизации сплава, содержащего 20% никеля. Кристаллизация этого сплава начинается в точке а, при этом образуется кристаллическая решетка меди, в которой имеется 20% никеля. В точке b кристаллизация заканчивается. Аналогично кристаллизуются сплавы с содержанием 40% (кривая 3) и 80% никеля (кривая 4), но точки начала (а1 и а2) и конца (b1, и b2) кристаллизации у первого сплава ниже, чем у второго. Все точки начала и конца кристаллизации меди, никеля и указанных выше сплавов переносятся на диаграмму (рис. 5). Соединяя эти точки, получим линии ликвидус АаВ и солидус АbВ. Выше линии АаВ сплав меди с никелем находится в жидком стоянии, а ниже линии АbВ — в твердом. В зоне между линиями АаВ и АbВ имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля и меди.

Диаграмма II-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что в первом случае образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава как у сплавов, образующих механическую смесь. Кроме того, у сплавов медь — никель начало и конец кристаллизации сплавов с различным содержанием компонентов протекают при различных температурах.

Рисунок 5 –. Диаграмма состояния сплавов Cu - Ni

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма состояния III рода). 

Данная диаграмма характеризует сплавы, у которых компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно — в твердом и получающиеся твердые растворы образуют эвтектику. К таким сплавам относятся алюминий-медь, магний-алюминий, магний-цинк и др. Рассмотрим этот тип диаграммы в общем виде (рис. 6). В сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор а компонента В в компоненте А и твердый раствор α компонента А в компоненте В. Твердые растворы обозначены здесь строчными греческими буквами, а компоненты — заглавными латинскими буквами. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия ADCEB — линией солидус. По линии АС начинают выделяться кристаллы твердого раствора а, по линии СВ — твердого раствора α. Левее точки D кристаллизация заканчивается образованием структуры однородного твердого раствора α, a правее точки Е — однородного твердого раствора α. Точка D характеризует предельную растворимость компонента В в компоненте А, а точка Е предельную растворимость компонента А в компоненте В. Чаще всего с понижением температуры растворимость компонентов уменьшается. Поэтому по линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов αII и βII. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией. Возможен случай, когда растворимость не уменьшается с понижением температуры. Тогда вторичная кристаллизация происходить не будет, а линии DF и EG будут вертикальными.

Рисунок 6 – Диаграмма состояния сплавов с ограниченной

растворимостью компанентов в твердом состоянии.

На участке DE кристаллизация заканчивается с образованием эвтектики. В данном случае эвтектика состоит не из механической смеси двух компонентов, как на диаграмме I рода, а из механической смеси твердых растворов аир. Сплав соответствующий точке С диаграммы называется эвтектическим. Все сплавы, расположенные межу точками D и С, называются доэвтектическим, а между точками С и Е — заэвтектическими. После образования эвтектики в доэвтектическом сплаве также будет происходить вторичная кристаллизация твердого раствора βII, а в заэвтектическом-твердого раствора αII.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение (диаграмма состояния IV рода).

Данная диаграмма характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение. К таким сплавам относятся магний-медь, магний-кальций и др. Диаграмма этого типа в общем виде изображена на рис.7. Она характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении AmBn. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. В случае устойчивого химического соединения каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь. Линия ADCEB является линией ликвидус данной диаграммы. На участке AD начинается кристаллизация компонента А, на участке DCE — химического соединения AmBn, на участке ЕВ — компонента В. Точка С диаграммы соответствует химическому соединению AmBn. Кристаллизация происходит полностью аналогично кристаллизации сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Компонент А образует с химическим соединением AmBn эвтектику Э1, состав которой соответствует точке D. Компонент В образует с химическим соединением AmBn эвтектику Э2, состав которой соответствует точке Е.

В некоторых сплавах могут одновременно находиться все виды соединений: механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Примером таких сплавов служат сталь и чугун.

Рисунок 7 –  Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов

Большой практический интерес представляют сплавы, у которых один из компонентов или оба имеют полиморфные превращения. В этих сплавах в результате термической обработки можно получать метастабильные состояния структуры с новыми свойствами.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов представлена на рис. 8. Сплав I после полного затвердевания при температуре точки 2 в твердом состоянии в интервале температур точек 3 и 4 изменяет кристаллическую структуру. Это вызвано полиморфизмом компонента А, который до температуры точки А1 имеет тип кристаллической решетки Аα, а при температуре более высокой — Аγ. Причем кристаллическая решетка Аγ такая же, как у компонента В, в результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых растворов.

В сплавах, составы которых лежат между точками ха и хb, превращение γ →α при охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным (γ + α). Сплавы, составы которых лежат правее точки хb, в твердом состоянии превращений не имеют, структура у них однофазная — γ–твердый раствор.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

Из анализа диаграммы, представленной на (рис.9), можно заключить, что после  кристаллизации всех сплавов данной системы в определенном интервале температур образуется твердый раствор γ, который при понижении температуры ниже t3 испытывает эвтектоидное превращение:

Образовавшуюся смесь двух твердых фаз принято называть эвтектоидом. В связи с переменной растворимостью компонентов в твердых растворах α и β при дальнейшем охлаждении следуют вторичные выделения твердых растворов βII и αII, которые показаны на структурной схеме сплавов, приведенной под диаграммой (см. рис.9).

Рисунок 8 – Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов

Рисунок 9 – Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Уяснив основные положения теории сплавов, нетрудно понять, что можно создавать сплавы различного назначения, целенаправленно закладывая в них такие факторы, которые позволят на последующих этапах технологической обработки формировать в сплавах требуемые дислокационно – фазовые структуры и необходимые комплексы механических и других свойств. Этому будут способствовать сведения, которые можно получить из анализа диаграмм состояний.

В связи с этим особую ценность представляют такие сведения, как поведение сплавов при наличии или отсутствии в них переменной растворимости компонентов или аллотропических превращений при изменении температуры.

Очень важно четко уяснить описанные выше характер и причины изменения свойств сплавов в зависимости от типа диаграммы состояний. Хотя эти свойства и относятся к равновесному состоянию, однако дополнительной обработкой их можно целенаправленно изменять. Причем изменение касается только уровня свойств, а характер изменения, как правило, сохраняется «диаграммный».

Особенно важно подчеркнуть положение, согласно которому в кристаллических решетках твердых растворов интенсивность межатомного взаимодействия значительно выше, чем в решетках составляющих их компонентов.

В связи с этим образуются высокостабильные фазы с повышенной прочностью, более высоким сопротивлением коррозии (затрудняется выравнивание атомов с поверхности детали действием агрессивной среды) и замедленными диффузионными процессами из-за возросшей энергии активации. Все это имеет определяющее значение при создании легированных сталей и сплавов различного целевого назначения.

Контрольные вопросы:

  1.  На чем основывается выбор химического состава сплава при его создании как конструкционного материала?
  2.  Назовите основные виды взаимодействия между двумя сплавляемыми компонентами и перечислите возможные варианты фазового состава у различных двойных сплавов?
  3.  Объясните суть и практическое значение правила отрезков?
  4.  Каким образом пользуясь правилом отрезков можно вычислить количество эвтектики и избыточной фазы в сплавах – смесях зерен компонентов?
  5.  Объясните и покажите графически, как и почему изменяются свойства сплавов в зависимости от состава и типа диаграммы состояний.


Лекция № 13. Пластическая деформация и разрушение металлов и сплавов

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить понятие упругой и пластической деформации;

- изучить механизмы пластической деформации;

- изучить классификацию механических свойств металлов;

- знать явление хладноломкости.

2. Воспитательные:

- воспитание умений логического обобщения;

- воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

  1.  Плакат со схемой движения дислокаций; процесс зарождения трещин; диаграммы растяжения металлов и их механические характеристики.

Литература, использованная при подготовке к лекции:

  1.  Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1987. – 647 с.
  2.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебн. для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.
  3.  Материаловедение. Учеб. для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
  4.  Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностр. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.: ил.

План лекций

  1.  Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)
  2.  Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

  1.  Понятие упругой и пластической диаграммы.

Диаграмма деформации (15мин).

  1.  Механизмы пластической деформации (дислокации) (15 мин).
  2.  Виды разрушения (10 мин).
  3.  Классификация механических свойств металлов (10мин).
  4.  Явление хладноломкости. Понятие о конструктивной прочности

металлов (10 мин).

3  Заключение (контрольные вопросы на самоподготовку) (10 мин).


ВСТУПЛЕНИЕ

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а, пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Вопрос №1. Понятие упругой и пластической деформации. Диаграмма

деформации

Деформацией называется изменение размеров и формы металла под действием приложенных сил. Деформация металлов бывает упругой и пластической. Упругая устраняется после прекращения действия внешних сил, а пластическая сохраняется после прекращения действия внешних сил.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется. При растяжении атомы удаляются, а при сжатии сближаются. Изменение межатомного расстояния очень мало, и после снятия нагрузки смещенные атомы под действием сил притяжения (после растяжения) и отталкивания (после сжатия) становятся на свои места.

При пластической деформации происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат перемещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки.

Диаграмма растяжения металлов представляет собой зависимость напряжений от степени деформации металла.

Рисунок 1 – Диаграммы:

а – растяжения металлов для условных (1) и истинных(2) напряжений; I– область упругой деформации; II –область пластической деформации;

III – область развития трещин; б – истинных напряжений

Строится она при статических испытаниях, когда прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Кривая 1 характеризует деформацию металла под действием напряжений, величина которых является условной ( σ ), ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца F0    (, кгс/мм2 ). До точки А деформация пропорциональна напряжению Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абцисс характеризует модуль упругости материала Е = / , где - относительная деформация. Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации, т.е. смещение атомов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжениях в упругой области наблюдается отклонение от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как линия нагрузки и разгрузки не совпадают между собой. Неупугость является причиной внутреннего трения, которое характеризует необратимые процессы потери энергии внутри металла при механических колебаниях. Неупругость связана с движением точечных дефектов, дислокаций и атомов в приграничных объемах.

Напряжение, соответствующее точке А называют пределом пропорциональности  (σ п.ц ). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинение достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованный касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке.  

Предел упругости – напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05 % и меньше от начальной длины образца.

Предел текучести σТ— напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Физический предел текучести – напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки.

Предел прочности (временное сопротивление) σВ – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

При испытании на растяжение определяют, кроме того, характеристики пластичности. К ним относятся:

Относительное удлинение δ рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

где l1 — длина образца после разрыва, мм; lo– расчетная (начальная) длина образца.

Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного, сечения, выраженным в процентах,

здесь F0 — начальная площадь поперечного сечения образца; F1 - площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Вопрос №2 – Механизмы пластической деформации (дислокации)

Механизм пластической деформации: скольжение и двойникование. Роль дислокаций в процессе пластической деформации скольжением.

Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу минимально. В металлах с ГЦК решеткой скольжение протекает по 4-м плоскостям типа (111) и в направлениях диагонали куба [110] (всего 3 направления и 12 систем скольжения). В ОЦК металлах – по 6 плоскостям типа (110) и в направлениях типа [111], всего 12 систем скольжения. В кристаллах с ГПУ решеткой скольжение идет по плоскостям базиса, всего 3 системы скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, т. к. скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ решеткой менее пластичны, труднее поддаются прокатке, штамповке.

Процесс скольжения нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой синхронный сдвиг требует очень больших напряжений. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис.2).

Рисунок № 2 – Движение краевой дислокации, приводящее к

образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б-краевая дислокация в

кристаллической структуре; в– дислокация перемещена на два

межатомных росстояния в решетке под влиянием приложенного

напряжения; г– выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Движение дислокаций в процессе деформаций вызывает появление большого количества новых дислокаций. Один из механизмов зарождения новых дислокаций – источник Франка – Рида (рис.3).

Рисунок 3 – Схема последовательных стадий работ дислокационного источника Франка – Рида.

Процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. С ростом числа дислокаций они располагаются в разных плоскостях и мешают друг другу перемещаться. На этом основаны способы упрочнения металлов путем механического наклепа.

За счет движения и размножения дислокаций происходит пластическая деформация всех реальных металлических материалов: как монокристаллов, так и поликристаллов, за исключением монокристаллов, не содержащих дислокаций в исходном состоянии — так называемых «нитевидных усов». Для того, чтобы в твердых кристаллах началась деформация, необходимо, прежде всего, чтобы в них зародились дислокации. Поэтому вплоть до очень высоких значений напряжений (в «усах» чистого железа, примерно, до 10000—13000 МП а) деформация осуществляется упруго. После того же, как дислокации зародились, на их движение и размножение, приводящее к пластической деформации, требуются напряжения такие же, как в обычных монокристаллах (в железе ~ 10 МПа). Рассмотренный механизм протекания пластической деформации в нитевидных монокристаллах («усах») помогает понять, почему для них на диаграммах деформации ((рис. 4) наблюдается огромный зуб.

Рисунок 4 – Диаграммы напряжение — деформация для нитевидных монокристаллов различных ориентировок:1 – [111]; 2 – произвольная ориентация

В поликристаллических материалах реализуются те же механизмы пластической деформации, что и рассмотренные для монокристаллов, с той лишь разницей, что в монокристаллах при приложении нагрузки весь объем находился в однородном напряженном состоянии, а в поликристалле разные зерна находятся в различных напряженных состояниях. В разных зернах может работать разное число систем скольжения, поэтому деформация в различно ориентированных зернах неоднородна. Кроме того, в поликристаллах сдвиг одного зерна в другое передается через границу и осуществляется неодинаково в разных зернах. Даже в пределах одного зерна деформация неоднородна из-за скольжения дислокаций у границ.

Если разориентировка соседних зерен мала, то скольжение дислокаций относительно легко переходит из одного зерна в другое. Если же разориентировка зерен велика, то переход дислокаций из одного зерна в другое затруднен, деформация сосредоточена у границ зерен.

В поликристаллических материалах меньшее число дислокаций выходит на поверхность образца по сравнению с монокристаллами и большее их число тормозится в объеме. Поэтому в поликристаллических материалах прочностные характеристики более высокие, а пластические— более низкие, чем в монокристаллах и сильно зависят от размеров зерна.

Двойникование – способ пластической деформации, характерный для металлов, имеющих плотноупакованные решетки (К12, Г12). Заключается в переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости двойникования (рис.5). Двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. В металлах с ОЦК и ГЦК решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформации и низких температурах.

Упрочнение как результат торможения дислокаций. Упрочнение металлов осуществляется за счет увеличения полезной плотности дислокаций путем механического наклепа (явление, при котором с увеличением степени холодной деформации ниже 0,15-0,2 Тпл. свойства, характеризующие сопротивление деформации (σВ, σТ,  HRB и др.), понижаются, а пластичность уменьшается. При наклепе увеличивается количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), при этом затрудняется движение дислокаций.

Рисунок 5 – Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а–первоначальный кристалл; б– упругая деформация; в–увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г–напряжение, обуславливающее появление сдвига; д– образование двойника

Измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и легирование создают несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствующие свободному передвижению дислокаций. За счет термической обработки создают структуры с упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение, которые также препятствуют свободному передвижению дислокаций.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

Вопрос № 3 – Виды разрушения

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате развития нескольких трещин или слияния трещин в одну магистральную, по которой металл разрушается. Разрушение может быть хрупким и вязким.

Механизм зарождения трещин при хрупком и вязком разрушениях одинаков. Скопление дислокаций перед препятствием в ходе пластической деформации является причиной возникновения микротрещины. В таком месте дислокации приходят в такое тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина.

Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012 – 1013 см —2, а касательные напряжения у вершины их скопления    0,7 G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина при заданном напряжении превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую по радиусу у вершины с атомными размерами. В этом случае напряжения краю трещины оказываются достаточными для нарушения межатомной связи (критерий Гриффитса).

При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения отличаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком – эта зона мала, при вязком – величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, и трещина затупляется в вершине. Вязкое разрушение идет с малой скоростью роста трещины, а хрупкое – с очень большой. Транскристаллитное разрушение – по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (только хрупкое).

Вопрос № 4 Классификация механических свойств металлов

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще – это испытания на растяжение  0,2, В, , , Е – базовые характеристики материала, включены в ГОСТ.

Относительное удлинение - отношение абсолютного удлинения к его первоначальной расчетной длине l0 в процентах

            

Относительное сужение - отношение абсолютного сужения образца к первоначальной площади его поперечного сечения в процентах  .

Испытания на сжатие – применяют для материалов, хрупких при растяжении (чугуны, алюминиевые сплавы и др.). При сжатии образцы разрушаются срезом. Определяют предел прочности при сжатии.

Испытания на изгиб – применяют для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнения). Испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образцах, лежащих на двух опорах. Предел прочности при изгибе изг(max) = Мmax/ , где Мmax – максимальный изгибающий момент; - характеристика сечения образца (для прямоугольного сечения =bh2/6 – для прямоугольного сечения и =r3/32 – для круглого сечения).

Надежность конструкций во многом определяется сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной (острой) трещины (т.е. вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины могут быть описаны с помощью параметра К – это коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины.

К = YНс , где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины, Н – номинальное (среднее) напряжение вдали трещины, с – длина трещины.

КС – критическое значение коэффициента, когда трещина начинает расти. При испытаниях в условиях плоского дефформированного состояния обозначают К – вязкость разрушения. Эта величина определяет способность металла противостоять развитию трещиныю (поэтому называют трещиностойкостью). Это структурно чувствительная характеристика материала.

Испытания проводят на образцах с надрезом.

Твердость металлов – это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

По Бринелю – вдавливание стального шарика, измерение диаметра отпечатка после снятия нагрузки.

По Роквеллу – вдавливание алмазного конуса или стального шарика, измеряют глубину вдавливания (точнее остаточное увеличение глубины внедрения после снятия основной нагрузки и сохранения предварительной нагрузки).

По Виккерсу – вдавливание алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды и измерение диагонали отпечатка после снятия нагрузки.

Микротвердость – определение твердости в микроскопических оъемах, определение твердости по Виккерсу, только при небольших нагрузках и с помощью металлографического микроскопа.

Динамические испытания – испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

Динамические испытания на ударный изгиб определяют склонность сталей к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (крнцентратором напряжений) ударом маятникого копра. По шкале маятникого копра определяют полную работу К, затраченную при ударе.

Ударная вязкость КС (Дж/м2) – это работа, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений. Яаляется интегральной характеристикой, включающей работк зарождения и работу распространения вязкой трещины: КС = аЗ + аР.

Порог хладноломкости – это температура, при которой в изломе образца после испытаний имеется 50% волокна (рис. 9).

 

Рисунок 6 – Схема хрупкого (I) и вязкого (II) разрушений металла в зависимости от температуры испытания

Циклические нагрузки.Усталостью называют постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению (это может происходить при напряжениях гораздо менее 0,2). Свойство металла сопротивляться усталости называют выносливостью.

Испытания на усталость проводят при переменных напряжениях. Цикл напряжения – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения.(рис.8в)

Рисунок 8 – Схема циклического нагружения: а–растяжением;

сжатием; в–закономерным нагружением

Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии: R = min/max . При

R = -1 цикл симметричный, при R  -1 – асимметричный.

В результате испытаний определяют предел выносливости.

Предел выносливости R– наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образцов после большого или заданного числа циклов нагружения.

Специальные типы нагружения. Методы испытания на износ, на обрабатываемость резанием, испытания сварных соединений, технологические испытания при различных температурах и в различных рабочих средах, моделирующие условия эксплуатации деталей.

Вопрос № 5. Явление хладноломкости. Понятие конструктивной прочности металлов

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой объемноцентрированного куба, например Feα, и гексагональной, например Zn. Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.

К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гранецентрированного куба, например Feγ, Al, Ni и др 

Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является условным, так как, например, аустенитные стали, имеющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей степени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегированные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба. 

Рисунок 9 – Схема низкотемпературного изменения ударной вязкости (а) и волокнистости в изломе ударного образца (б)

Испытания на ударную вязкость при низких температурах позволяют получить хрупкое разрушение металла в результате одновременного действия  надреза, повышенной скорости деформирования и температуры. На рис. 9, а представлено температурное изменение ударной вязкости хладноломкой стали. Как видно из рисунка, снижение ударной вязкости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала могут быть хрупкие и вязкие изломы.

Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладноломкости». Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Ткр. Количественно критическую температуру хрупкости можно определить по температуре, соответствующей началу порога хладноломкости (рис. 9, а, точка 7), концу порога хладноломкости (рис. 9, а, точка 5) и по заданному значению ударной вязкости КС2 (рис.9, а, точка 2)

Критическую температуру хрупкости можно определить и другим способом — по характеру строения излома. Вязкий излом имеет волокнистое, а хрупкий — кристаллическое строение. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волокнистого строения в изломе уменьшается, а кристаллического — увеличивается. Изменение доли волокнистого строения при температурах хладноломкости также имеет вид порога. За критическую температуру хрупкости принимают температуру, соответствующую равным долям волокнистого и кристаллического изломов.

Конструктивная прочность металлов – это надежность металла против внезапных разрушений (ударная вязкость, живучесть), определяется в ходе статических и динамических испытаний образцов с острыми трещинами. Кроме того, она определяется долговечностью (сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость) и прочностью конструкции в целом (определяется в ходе стендовых испытаний или эксплуатационных).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием нагрузки. Деформация, исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся — пластической. Механизм упругой и пластической деформации принципиально различен. При пластической деформации происходят необратимые перемещения атомов на значительное расстояние от положений равновесия.

Процесс пластической деформации представляет собой сдвиг одной части кристалла относительно другой. При этом происходит не одновременный сдвиг всей атомной плоскости, а последовательное перемещение дислокаций в плоскости сдвига, что требует несравненно меньшего усилия. Поэтому роль дислокаций в процесс пластического деформирования является определяющей.

Значение нагрузки, необходимой для осуществления пластической деформации, зависит от температуры и скорости деформирования. С повышением температуры пластическая деформация требует меньшего усилия. Увеличение же скорости деформирования затрудняет процесс пластической деформации.

Способность металла пластически деформироваться является его исключительно важным и полезным свойством. Без этого свойства были бы невозможны технологические процессы обработки металлов давлением –прокатка, волочение проволоки, получение деталей ковкой и штамповкой и др. Большое значение оно имеет и для обеспечения надежности металлических изделий, так как разрушение без пластической деформации требует значительно меньшего усилия.

Контрольные вопросы:

1. Назовите прочностные и пластические характеристики металлических материалов.

2. Назовите основные механизмы пластической деформации и проанализируйте их различия.

3. В чем состоят различия анизотропии свойств материалов при упругой деформации и анизотропии, вызванной пластической деформацией?

4. Назовите виды разрушения материалов и чем они характеризуются? Роль дислокации в образовании микротрещин.

5. Что такое порог хладноломкости?


Лекция № 14. Диаграмма состояний
FeC (Fe3C)

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить компоненты и фазы диаграммы;

- изучить структуру и структурные составляющие диаграммы;

- изучить процессы кристаллизации сталей в пределах диаграммы;

2. Воспитательная:

- формирование познавательной потребности, стремления к глубокому усвоению материала;

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Плакат  диаграммы состояния FeFe3C со структурой сталей

Литература, использованная при подготовке к лекции:

  1.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.
  2.  Материаловедение. Учеб. для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
  3.  Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностр. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.: ил.
  4.  Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебн. 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.

План лекций

  1.  Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)
  2.  Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

  1.  Физический смысл точек и линий на диаграмме ( Fe3C) (20 мин)
    1.  Структура и структурные составляющие (20 мин)
    2.  Последовательность кристаллизации стали (чугуна) с различным содержанием углерода (20 мин)

3 Заключение (контрольные вопросы на самоподготовку)(10 мин).


ВСТУПЛЕНИЕ

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производство чугуна и стали намного более чем в 10 раз превосходит производство всех других металлов, вместе взятых.

Диаграмма состояний железо — углерод, которая будет рассмотрена в этой главе, дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов.

Обычно сталью, а тем более чугуном, называют сплавы железа с углеродом (более 2% С — чугун, менее 2% С — сталь). Однако в свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа, в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом; тем не менее такие сплавы также называются сталями. Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50%, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически четко.

Диаграмма железо — углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит — Fe3C.

Следовательно, рассматривая диаграмму железо — углерод в участке от железа до цементита, компонентами системы можно считать железо и цементит. В таком случае до рассмотрения системы следует ознакомиться со свойствами и строением этих компонентов.

Вопрос №1. Физический смысл точек и линий на диаграмме

железо – углерод (Fe3C)

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы FeC. это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе FeFe3C (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе FeC (рис. 1).

Рисунок 1 –  Диаграмма состояния FeFe3C

На то, что система Fe - С является более стабильной, чем система FeFe3C, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т.е. переходит в более стабильное состояние.

Железо и углерод — элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации — α и γ. Модификация Feα существует при температурах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20-25°С). Важной особенностью Feα является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С, называемой точкой Кюри.

Модификация Feγ существует в интервале температур от 911 до 1392°С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Feα —> Feγ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Feγ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов.)

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф или α) — твердый раствор внедрения углерода в Feα. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном — 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит — мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σв = 300 МПа; δ = 40%; ψ = 70%; KCU = 2,5МДж/м2; твердость — 80- 100 НВ.

Аустенит (обозначают А или γ) — твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200 НВ) при 20 - 25 °С.

Цементит (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного состава) Fе3С, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 °С.

Графит — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Вопрос №2. Структура и структурные составляющие

Диаграмма состояния Fe - Fе3С (см. рис. 1) характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe - Fе3С. Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице №1.

Таблица 1 –  Характерные точки диаграммы состояния Fe - Fе3С

Обозначение точки

t,ºС

С,%

Обозначение точки

t,ºС

С,%

A

1539

0

C

1147

4,3

H

1499

0,1

F

1147

6,69

J

1499

0,16

G

911

0

B

1499

0,51

P

727

0,02

N

1392

0

S

727

0,8

D

1260

6,69

K

727

6,69

E

1147

2,14

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, a D — температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fe - Fе3С происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно, цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита — вторичным, из феррита — третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD — линия первичного цементита, ES — линия вторичного цементита; PQ — линия третичного цементита. В системе Fe - Fе3С происходят три изотермических превращения:

– перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)

   ;

– эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

   ;

– эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

   .

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита — перлитом.

Эвтектоид — перлит (0,8 %С) и эвтектику — ледебурит (4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800... 900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ ≤ 16%; твердость — 180... 220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 - 25 °С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14 % С, и чугуны.

Вопрос №3. Последовательность кристаллизации стали (чугуна) с различным содержанием углерода

Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при 1539°С, а сплавов железа с углеродом — в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 2), где происходит перитектическое превращение.

Рисунок 2 – Часть диаграммы состояния Fe - Fе3С

для сплавов, испытывающих перитектическое превращение

Сплав I, содержащий менее 0,1 %С, не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3- 4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав III, содержащий 0,16 %С, при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9 образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость — состав точки В. При 1499°С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16 %. В интервале температур точек 5 0 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержится избыточный феррит. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа IV содержат от 0,16 до 0,51 %С. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы по сравнению со сплавом III. В результате перитетический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий N J и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Превращения сталей в твердом состоянии

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 3, а).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С (точка Р диаграммы), называют техническим железом.

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до 20 — 25 °С.

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002 % (сплав II на рис. 3, а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ на рис. 3, а). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

Рисунок 3 – Часть диаграммы состояния Fe - Fе3С для сплавов, не

испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение

При 20 — 25 ° С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002 % С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02 % о третичном цементите не упоминают.

Сплав II (рис. 3, б) с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 3, б) с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава Асα. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bс.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав AS + ФP с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав III (рис. 3, б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Превращения чугунов. В сплавах с содержанием углерода более 2,14 % при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав II (рис. 4) — эвтектический белый чугун (4,3 % С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь этих фаз, как известно, названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

В доэвтектических белых чугунах (< 4,3 % С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис. 4) этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727 °С превращается в перлит.

Рисунок 4 – Часть диаграммы состояния Fe - Fе3С

для высокоуглеродистых сплавов (чугунов)

Сплав III (см. рис. 4) - заэвтектический белый чугун (> 4, 3 % С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале температур точек 5 — 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II.

Превращения в сплавах системы железо — графит. Диаграмма состояния Fe - С нанесена на диаграмме состояния Fe -Fe3C штриховыми линиями (рис. 5). Такой способ изображения системы Fe - С дает возможность сравнивать обе диаграммы.

В системе Fe - С эвтектика образуется при 1153°С. Она содержит 4,26%С и состоит из аустенита и графита. Ее называют графитной эвтектикой.

Эвтектоидное превращение у сплавов системы Fe - С протекает при температуре 738 °С, причем эвтектоидная точка соответствует содержанию 0,7% С.   Структура эвтектоида состоит из феррита и графита.

Эвтектоид называют графитовым. В интервале 1153 – 738°С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е S . Линия С' D' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита.

Рисунок 5 – Диаграмма состояния Fe – С

Чтение диаграммы состояния Fe - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния FeFe3С, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Первичный графит и графит в эвтектике кристаллизуются путем образования и последующего роста зародышей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные режимы кристаллизации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки), режимы термообработки и

т. д.

При разборе диаграммы с устойчивыми химическими соединениями указывалось, что каждое устойчивое соединение можно рассматривать как компонент, и диаграмму можно рассматривать по частям, рассматривая только часть системы от железа до химического соединения (Fe3C — цементит).

При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод будет выделяться в виде графита, а не цементита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода в виде графита называются серыми чугунами.

Контрольные вопросы:

1 Назовите фазы образующиеся в системе FeFe3С, сравните их свойства.

2 Сравните фазовый и структурный состав стали и чугуна в зависимости от содержания углерода.

3 Почему сера, фосфор, кислород и водород относянся к вредным примесям?

4 Укажите положения основных критических точек на диаграмме FeFe3С. В чем состоят отличия в способах определения точек Аr и Ас?

5 Чем отличается эвтектическое превращение от перитектического и эвтектоидного? Как называются структуры, образующиеся в системе FeFe3С при этих превращениях?


Лекция № 15. Железо и его сплавы

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить классификацию углеродистых сталей;

- изучить влияние углерода и примесей на свойства стали;

- изучить структурные классы чугунов;

- знать процесс графитизации;

- знать влияние легирующих элементов.

2. Воспитательные:

- воспитание умений логического обобщения;

- воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Плакат с микроструктурой сплавов железа

Литература, использованная при подготовке к лекции:

  1.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с., ил.
  2.  Материаловедение. Учебник для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
  3.  Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.: ил.
  4.  Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник. 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.

План лекций

1 Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)

2 Вступление (5 мин)

   Вопросы лекции:

  1.  Углеродистые стали. Влияние углерода и примесей

на свойства стали (20 мин) 

  1.  Чугуны. Структура и свойства (20 мин)
  2.  Влияние легирующих элементов. Легирование стали (20мин)

3 Заключение (контрольные вопросы на самоподготовку) (10 мин).


ВСТУПЛЕНИЕ

К железоуглеродистым сплавам относят чугун и сталь. Чугун – самый дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными свойствами. Кроме того, он является исходным продуктом для получения стали.

Сталь — основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIХ в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов.

Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и тех логий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Вопрос №1. Углеродистые стали. Влияние углерода и примесей на свойства стали.

В общем объеме производимых в России сталей (около 160 млн. т) на долю углеродистых сталей приходится более 80 %. Это связано с тем, что они обеспечивают удовлетворительное сочетание эксплуатационных свойств с хорошей технологичностью, т. е. относительно малыми затратами при обработке давлением, резанием и сварке. Кроме того, эти стали относительно дешевы.

Промышленные углеродистые стали не являются просто бинарными сплавами системы Fe — С. Кроме этих двух элементов в них всегда присутствуют примеси (P, S, О, N, Н и др.), содержание которых колеблется от десятых и сотых до тысячных долей процента и зависит от способа выплавки стали (мартеновский, конвертерный и др.). Кроме того в сталях всегда имеются сопутствующие металлические элементы, содержащиеся в исходных шихтовых материалах (Cr, Ni, Си и др.), а также элементы-раскислители (Mn, Si, A1 и др.), специально вводимые в сталь для снижения содержания кислорода.

Как углерод, так и вышеуказанные примеси, оказывают значительное влияние на физико-механические и технологические свойства сталей. При увеличении содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность. Марганец, кроме раскисляющего действия, повышает прочность сталей в горячекатаном состоянии и снижает вызываемую присутствием серы красноломкость (появление трещин и разрывов при горячей прокатке). Кремний, упрочняя сталь, снижает ее пластичность. Фосфор, при повышенном содержании в сталях (до 0,05—0,06 %), образует фосфиды и снижает пластичность, вязкость и повышает порог хладноломкости. Элементы повышающие прочность, например марганец и кремний, ухудшают обрабатываемость сталей резанием (допустимые скорости резания, стойкость инструмента, чистоту обрабатываемой поверхности). Наличие дисперсных частиц, например оксидов, нитридов и других соединений, улучшает обрабатываемость. Хорошей обрабатываемостью обладают и стали с повышенным содержанием серы и фосфора (до 0,1—0,2 %).

Штампуемость сталей также ухудшается при повышении прочности стали, особенно предела текучести. Обычно способность сталей к штампуемости оценивают отношением σ 0,2В. Для сталей глубокой вытяжки это отношение должно находиться в пределах от 0,65 до 0,7. Такими свойствами обычно обладают стали, содержащие около 0,08 % С, до 0,4 % Мn и не более 0,03 % Si. Следует отметить, что большое влияние на штампуемость оказывает величина зерна (оптимальным является 6— 8 балл).

Неметаллические включения (оксиды, сульфиды, фосфиды) создают в сталях области повышенных микронапряжений и снижают ударную вязкость сталей, усталостные и другие характеристики. Но в отличие от большинства перечисленных неметаллических включений, повышающих порог хладноломкости, сульфиды могут снижать порог хладноломкости за счет измельчения зерна (явление сульфидного эффекта). Водород при повышенных количествах скапливается в микрообъемах внутри стальных изделий, создает высокие давления и вызывает образование внутренних трещин (флокенов).

Классификация и маркировка углеродистых сталей. Углеродистые стали принято классифицировать по составу, назначению, структуре, качеству и раскисленности. Классификация по структуре (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные) была рассмотрена при анализе диаграммы состояний системы Fe — С.

По составу углеродистые стали в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: 1) низкоуглеродистые— с содержанием углерода до 0,3 %; 2) среднеуглеродистые — до 0,7% углерода; 3) высокоуглеродистые— больше 0,7 % углерода.

По назначению — это конструкционные, машиностроительные и инструментальные.

По качеству стали классифицируют на обыкновенные, качественные и высококачественные, в зависимости от содержания примесей.

Если содержание серы находится в пределах 0,04— 0,06 %, а фосфора от 0,04 до 0,08 %, то стали относят к обыкновенному качеству. Если же содержание серы и фосфора меньше и находится в пределах 0,03—0,04 %, то такие стали относят к качественным. При содержании примесей в пределах, как правило, меньших 0,03 %, полагают, что стали обладают высоким качеством. Под качеством стали понимают совокупность свойств, зависящих от способа ее производства. В зависимости от требований, предъявляемых к составу и свойствам стали, углеродистые стали делятся на ряд групп.

Сталь обыкновенного качества поставляется потребителям в соответствии с ГОСТ 380—71 и ее подразделяют на три группы: к группе А — относят стали с гарантируемыми механическими свойствами (поставляемая сталь не подвергается термической обработке); к группе Б — стали гарантированного состава (они подвергаются горячей обработке у потребителя); к группе В— стали  с гарантированными составами и механическими свойствами (для сварных конструкций).

Для сталей группы А (Ст1...Ст6) требования к механическим свойствам изменяются в определенном интервале (σ 0,2 от 200 до 300 МПа; σВ —от 310—410 до 500—600 МПа, а δ от 22 до 14 %, соответственно). Прочность стали тем выше, а пластичность стали тем ниже, чем больше номер ее подгруппы. Так сталь Ст6 прочнее стали СтЗ. Аналогичные цифры указываются и для сталей группы Б и В (например БСтЗ). Но букву А в маркировке стали обыкновенного качества не указывают, так как ее используют для маркировки так называемых автоматных сталей, обрабатываемых на станках автоматах.

По характеру раскисления стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают без газовыделения (спокойно). Кипящие стали раскисляют только марганцем, содержание кислорода в них повышенное. Взаимодействуя с углеродом, кислород образует пузыри СО, которые при выделении в процессе кристаллизации создают впечатление кипения. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием, по своему поведению они занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Содержание углерода для сталей обыкновенного качества в маркировке не указывают. При маркировке качественных сталей содержание углерода указывается двумя цифрами (в сотых долях процента). При маркировке сталей обыкновенного качества принадлежность к группам Б или В указывают буквой, строящей в начале. Букву А используют при маркировке углеродистых и большинства легированных сталей для обозначения их высокого качества, но ставят ее в конце обозначения марки. Для облегчения понимания правил маркировки углеродистых сталей приведем конкретные примеры. Сталь марки ВСт3пс означает, что эта сталь обыкновенного качества, третьей категории, поставляемая по химическому составу и свойствам, полуспокойная. Маркировка же 08кп означает, что это — качественная сталь, содержащая 0,08 % С, кипящая. Марка 40А, означает, что сталь содержит около 0,40 % С и относится к сталям высокого качества.

Углеродистые инструментальные стали. Содержат 0,7 – 1,3% углерода. Они маркируются буквой У и цифрой, показывающих содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,….У13). Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А,….У13А). Твердость качественных и высококачественных сталей одинакова, но высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам, дают при закалке меньше брака. Высококачественная сталь выплавляется в электрических печах, а качественная — в мартенах и кислородных конвертерах.

Предварительная термообработка углеродистых инструментальных сталей — отжиг на зернистый перлит, окончательная — закалка в воде или растворе соли и низкий, отпуск. После этого структура стали представляет собой мартенсит с включениями зернистого цементита. Твердость после термообработки в зависимости от марки лежит в интервале HRC 56-64.

Для углеродистых инструментальных сталей характерны низкая теплостойкость (до 200 °С) и низкая прокаливаемость (до 10-12 мм). Однако вязкая незакаленная сердцевина повышает устойчивость инструмента против поломок при вибрациях и ударах. Кроме того, эти стали достаточно дешевы и в незакаленном состоянии сами хорошо обрабатываются.

Ниже приведена область применения инструментальных углеродистых сталей различных марок.

Стали У7, У7А — для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, слесарные и кузнечные молотки, штампы, клейма, масштабные линейки, инструменты по дереву, центры токарных станков и т. д.).

СталиУ8, У8А—для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент, буры средней твердости).

Стали У9, У9А — для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).

Стали У10, У10А — для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам, требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным породам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).

Стали У11, УНА, У12, У12А — для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).

Стали У13, У1 ЗА — для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников).

Стали У8 - У12 применяются также для измерительного инструмента.

Качество стали. Структурные классы углеродистой стали.

Во многом качество стали определяется способом ее производства, поскольку в зависимости от способа стали отличаются по содержанию основных примесей, а значит и по свойствам. Сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь. В зависимости от способа раскисления стали бывают спокойные (раскислены марганцем, кремнием и алюминием) и кипящей (только марганцем), полуспокойная сталь (раскислена марганцем и албминием. Сравнительная оценка этих видов сталей приведена в таблицах.

Качество стали определяют руды различных месторождений, которые могут содержать разные элементы, дополнительно загрязняющие сталь.

Углеродистые стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы: доэвтектоидные (эвтектоид и избыточный феррит), эвтектоидные и заэсвтектоидные (эвтектоид и избыточный цементит). Эти стали объединяются в один класс – перлитные стали. Ледебуритные стали имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита.

Вопрос №2. Чугуны. Структура и свойства

Как уже отмечалось, чугунами называют сплавы железа, содержащие больше 2 % С. При содержании до 4,3 % С чугуны называются доэвтектическими, а при большем содержании — заэвтектическими.

Железоуглеродистый сплав, содержащий 4,3 % С является эвтектическим и кристаллизуется при практически постоянной температуре, равной 1147°С или 1420 К. Образующаяся после затвердевания этого сплава структура, называется ледебуритом. Эта эвтектика при температурах несколько ниже 1147°С представляет смесь аустенита и первичного цементита. При последующем охлаждении аустенита выделяется цементит, называемый вторичным. Подобные выделения существуют и для заэвтектоидных чугунов.

Выделение вторичного цементита обусловлено изменением его растворимости, указываемой линией SE.Обедненный углеродом аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Но поскольку эти превращения происходят уже в измельченной эвтектической структуре, то дальнейшие фазовые превращения приводят к формированию особой структуры с цементитом, выделяющимся в виде глобулей.

Ледебурит является хрупкой составляющей чугунов различного состава, причем чисто железоуглеродистые чугуны почти не используют и обычно в них присутствует кремний, сильно повышающий активность углерода. Поэтому в присутствии кремния углерод в значительной мере выделяется не в виде цементита, а в виде графита. При высоком содержании кремния, для получения цементиной составляющей, т. е. для получения структуры белого чугуна, необходимо обеспечивать более высокую скорость охлаждения по сравнению с обычной.

В условиях доменной плавки чугуны с высоким содержанием кремния характеризуются меньшим содержанием углерода и, тем не менее, активность углерода в них близка к единице. Добавление кремния к такому чугуну снижает растворимость углерода и углерод выделяется в виде графитовых хлопьев. В этом и состоит один из принципов модифицирования чугуна, заключающийся в изменении условий его графитизации.

Модифицирование другими элементами связано с измельчением зерна и повышением вероятности зарождения кристаллов графита в чугуне без существенного смещения равновесной растворимости углерода.

Присадка к железу кремния смещает температуру образования эвтектики. В результате к моменту охлаждения сплава до эвтектической температуры сплав успевает в значительно большей степени приблизиться к равновесию аустенита с графитом. Чем выше содержание кремния, тем больше углерода успевает выделиться не в виде цементита, а в виде графита. Эта тенденция появляется и при температуре эвтектоидного превращения. Но для его реализации требуется много времени (десятки часов). В результате на практике чаще реализуется равновесие феррита с цементитом, а не с графитом.

Рисунок 1 – Схематические микроструктуры различных

типов чугунов:

I – белый чугун; II – перлитный; IIа – перлитно –

цементитный;IIб – перлитно – ферритный; III – ферритный;

IV -  высокопрочный.

Степень графитизации чугуна зависит не только от скорости его кристаллизации, но и режима охлаждения. Скорость кристаллизации обычно уменьшается с ростом толщины стенок отливки. Поэтому с ростом толщины стенок отливки возрастает степень графитизации чугуна. Толстостенные отливки, как правило, имеют структуру так называемого серого чугуна.

В зависимости от степени графитизации чугуны делят на пять типов

(рис. 1): 1) белые чугуны, в которых весь углерод находится в виде Fe3C; 2)половинчатые чугуны, в которых содержание углерода, связанного в FезС, превышает 0,8%. Структурными составляющими таких чугунов являются перлит, ледебурит и графит; 3) перлитные серые чугуны, в которых содержание связанного в цементит углерода ~0,8 %. В структуре серых чугунов представлены перлит и графит; 4) феррито-перлитные серые чугуны, в которых содержание углерода находится в пределах от 0,8 до 0,2 %. Отличительной особенностью их является присутствие феррита. Кроме феррита в структуре присутствуют перлит и графит; 5) ферритные серые чугуны, в которых содержание углерода <0,20 %. Структурным отличием таких чугунов является отсутствие перлитной составляющей. Основными структурными составляющими являются феррит и графит.

Выделение графита в чугунах продолжается все время, в том числе и при эксплуатации изделий, хотя происходит и очень медленно. Быстрое выделение графита наблюдается лишь при высоких температурах. Это явление используют для изменения структуры чугуна и производства так называемых ковких чугунов. При отжиге чугунов выделяющийся углерод собирается в хлопья, которые снижают прочность чугуна. При модифицировании жидкого чугуна магнием формируется структура чугуна с шаровидным графитом.

Аналогичный результат получается при модифицировании кальцием, барием, церием, т. е. сульфидообразующими элементами. Чугуны с шаровидным графитом называются высокопрочными.

Механические свойства чугуна зависят в значительной степени от относительного количества и формы графитовых включений. Чем выше доля графитной составляющей, тем ниже его механические свойства. При одинаковой ее доле свойства чугунов ниже в случае образования крупных графитных частиц. При растягивающих нагрузках прочность чугуна, ниже, чем при сжимающих. Значительное влияние на прочность чугуна оказывает и форма графитных включений (при переходе от пластинчатой формы к шаровидной, прочность возрастает). Пластичность чугунов также увеличивается при выделении частиц графита шаровидной формы. При пластинчатых выделениях графита относительное удлинение δ≈0,5 %, а при шаровидных —его величина возрастает до 10—15 %. В то же время наличие графитных включений улучшает обрабатываемость чугуна резанием и, кроме того, чугуны отличаются лучшими, по сравнению со сталью, литейными свойствами.

Чугуны широко используют как конструкционные материалы для изготовления деталей машин, не испытывающих больших ударных нагрузок.

Маркировка чугунов. Согласно ГОСТу 1412—79, в зависимости от прочности, серые чугуны маркируются указанием принадлежности к серым чугунам буквами СЧ, последующие цифры означают сопротивление разрушению, т. е. соответствуют временному сопротивлению (пределу прочности) чугуна при растяжении. Например чугун СЧ40 характеризуется временным сопротивлением (пределом прочности) 390 МПа. Временное сопротивление (предел прочности чугунов), определяемое при изгибе, примерно в два раза выше, чем при растяжении, а твердость чугунов определяется в основном свойствами и долей перлита.

Высокопрочные чугуны (по ГОСТ 7293—79) маркируются следующим образом: ВЧ45—0, ВЧ50—1,5 и т.д. В этой маркировке ВЧ — означает принадлежность к высокопрочным чугунам, цифры, изменяющиеся от 45 до 60 — соответствуют пределу прочности чугуна, выраженному в килограммах на 1 мм2 (кГ/мм2), а следующие цифры [от 0 до 10 (15)] — относительному удлинению образцов чугуна, т. е. величине б, выраженной в процентах.

Ковкие чугуны (по ГОСТ 1215—79) подразделяют на ферритные и перлитные. Ферритные ковкие чугуны разделяют на марки КЧЗО—6, КЧ35—10 и КЧ37—12, перлитные ковкие чугуны — на марки КЧ45—7 и КЧ60— 3, КЧ80—1,5. Первые двухзначные цифры означают предел прочности в килограммах на 1 мм2 (кГ/мм2), вторые — относительное удлинение δ. Кроме рассмотренных выше видов чугунов, в технике используют также отбеленные чугуны, имеющие структуру белого чугуна лишь на поверхности. Твердость поверхности при этом значительно увеличивается и достигает 1000 НВ. Отбеленные чугуны используют для изготовления шаров шаровых мельниц, ободов вагонных колес. Твердость ковких чугунов значительно ниже и составляет 200—250 НВ.

На практике используют также коррозионностойкие чугуны — с высоким содержанием хрома, а также никеля и кремния.

По назначению, в основном, различают чугуны литейные и передельные. Литейные чугуны используют для изготовления отливок, а передельные — для передела чугуна в сталь.

В практике чугуны часто применяют также в качестве антифрикционных и износоустойчивых материалов. Антифрикционные чугуны обычно содержат повышенное содержание графита.

После отливки чугунных деталей, их как правило, подвергают термической обработке, чаще всего отжигу. Одно из основных назначений этого вида термической обработки — устранение внутренних напряжений, возникающих при отливке. Отжиг проводят при 500—550 °С в течение 6—8ч.

Иногда отжиг применяют для снятия отбела в чугунах — для смягчения. В этом случае нагрев проводят до более высоких температур: 850—900 СС, а иногда и 1050—1150°С, в течение нескольких минут. При таких условиях процесс графитизации не завершается, но снижается твердость.

Применяют иногда и другие виды термической обработки чугунов.

Вопрос №3. Легированные стали. Влияние легирующих элементов.

Легированными называют стали, в которые для изменения структуры и свойств, кроме углерода, специально вводят в заданных концентрациях другие элементы (Ni, Со, Сг, V, Mo, W и др.), получившие название легирующих.

Легирующие элементы при растворении в железе образуют твердые растворы замещения и поэтому смещают положения точек А3 и А4, определяющих температурную область существования α- и γ-фаз. По влиянию на положение точек полиморфного превращения железа, легирующие элементы можно разделить на две группы: 1) элементы, понижающие температуру превращения γ→α, т. е. точку А3 и повышающие А4, т. е. расширяющие область существования γ-фазы и сужающие α-область. К числу этих элементов относятся никель и марганец. На рис. 65, а приведена диаграмма, характерная для сплавов железа с легирующими элементами этой группы. Из диаграммы видно, что если концентрация легирующего элемента выше точки, отмеченной на диаграмме точкой Х1 то во всей области температур сплавы будут иметь γ-структуру. Такие сплавы называют аустенитными. Если в сплавах происходит частичное превращение γ→α, то их называют  феррито-аустенитными.

К числу элементов, которые расширяют γ-область относятся также медь, углерод и азот. Но в этом случае однофазная область существования γ-фазы не наблюдается и диаграммы относятся к типу диаграмм с эвтектоидной точкой, ниже которой γ-фаза не существует; 2) легирующие элементы, которые повышают точку А3 и снижают А4. Это приводит к замыканию области существования γ-фазы (рис. 2, а). При содержании легирующего элемента выше концентрации, отмеченной буквой у1 на оси абсцисс, сплавы во всей температурной области правее у1 имеет α-решетку. Такие сплавы называются ферритными. Если концентрация легирующего элемента в сплаве такова, что может происходить лишь частичное α—γ-превращение, то сплавы этого типа называются полуферритными, например, сплавы расположенные между точками у0 и у1 на рис. 65, б. К числу легирующих элементов второй группы относятся Cr, W, Mo, V, Si, A1. К этой же группе относятся бор, цирконий, ниобий, которые способствуют сужению γ-области даже при небольших содержаниях этих элементов. Но так как они мало растворяются в железе, то раньше, чем полностью замыкается γ-область, образуются двухфазные сплавы.

Рисунок 2 –  Схемы диаграмм состояний железа с Mn, Ni, Cu,

Pt (а) и с Cr, W, Si, Mo, V, Ti, Ta, Nb, Zr (б)

При введении в сталь одновременно нескольких легирующих элементов их влияние на существование α-и γ-областей не всегда суммируется.

Более того, их влияние может быть противоположным тому, которое проявляется в двойном сплаве. Так хром при введении его одновременно с никелем не сужает, а расширяет γ-область. Углерод чаще всего повышает растворимость легирующих элементов в γ-твердом растворе. Он повышает устойчивость аустенита до более низких температур, а также смещает линии α—γ превращений в сторону меньших содержаний легирующего элемента.

Смещение линий (GS, SE и др.) при легировании приводит к смещению эвтектоидной концентрации углерода (т.е. точки S на диаграмме Fe —С) и предельной растворимости углерода в γ-железе (точки Е). Такие легирующие элементы как Ni, Co, Si, W, Cr, Mn снижают предельную растворимость углерода (точку Е) и сдвигают эвтектоидную точку (S) в сторону меньших концентраций углерода. Такие элементы, как Ti, V, Nb, наоборот, повышают концентрацию углерода, соответствующую эвтектоидной. Это связано с изменением и составом карбидов и феррита в эвтектоиде.

Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита и аустенита. В феррите обычно содержатся такие легирующие элементы, которые повышают (временное сопротивление) предел прочности, не изменяя в заметной степени пластических характеристик (рис. 3). Исключение составляют лишь марганец и кремний, которые при их содержании, превышающем 2,5 %, снижают пластичность феррита. В то же время, именно кремний и марганец, а также никель наиболее сильно упрочняют феррит.

Следует отметить, что при введении легирующих элементов в сталь они, упрочняя феррит, снижают ударную вязкость стали, а при содержаниях больших 1—2 % повышают предел хладноломкости. Лишь при легировании никелем упрочнение феррита одновременно сопровождается не только повышением ударной вязкости, но и снижением порога хладноломкости.

Рисунок 3 –  Влияние легирующих элементов на свойства феррита

Стали, легированные хромом, марганцем и никелем при быстром охлаждении из γ-области, претерпевают мартенситное превращение. Если же в стали сохраняется и феррит (при не слишком быстром охлаждении), то его твердость при этом увеличивается до 200 ед НВ. Повышение твердости феррита вызывается фазовым наклепом, поскольку превращение аустенита в феррит происходит с изменением объема и его деформацией.

При легировании сталей вольфрамом и молибденом в процессе закалки не происходит полного превращения аустенита в мартенсит и такие стали при закалке упрочняются в соответствии со степенью протекания мартенситного превращения. Но легирующие элементы повышают прочность аустенита при нормальной и повышенной температурах. Упрочнение аустенитных сталей легко достигается в результате пластической деформации.

При легировании сталей вольфрамом и молибденом в процессе закалки не происходит полного превращения аустенита в мартенсит и такие стали при закалке упрочняются в соответствии со степенью протекания мартенситного превращения. Но легирующие элементы повышают прочность аустенита при нормальной и повышенной температурах. Упрочнение аустенитных сталей легко достигается в результате пластической деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 85% изготовляется углеродистой стали и 15% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом нашей промышленности является углеродистая сталь.

Получаемая в промышленности углеродистая сталь имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в пределах 97,0 – 99,5% и попадает некоторое количество элементов, связанное технологией производства (марганец, кремний) или невозможностью полного их удаления из состава металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), случайные примеси (хром, никель, медь) и, кроме того, некоторые металлические включения.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

Чугуны – более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Контрольные вопросы:

1 Какие элементы, кроме железа и углерода, присутствуют обычно в углеродистых сталях и какие из них относятся к вредным?

2 Что такое полиморфизм и как легирующие элементы влияют на температуры полиморфных превращений в железе?

3 Какие фазы образуют легирующие элементы с железом и углеродом в легированных сталях?

4 Чем отличаются чугуны от сталей? Какие существуют структурные классы чугунов?

5 По каким признакам классифицируются углеродистые стали?


4 ДИДАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО      ТЕМЕ «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Инструкция к выполнению дидактического теста для проведения контрольного опроса по дисциплине «Материаловедение и технология материалов» учащихся «Уральского института государственной противопожарной службы» по специальности «Пожарная безопасность».

Уважаемый испытуемый!

Вашему вниманию предоставляется дидактический тест для контроля знаний по дисциплине “Материаловедение и технология материалов”.

Внимательно прочитайте указания для ответа на тест. Выполняя задания, вносите ответы в бланки ответов, соблюдая следующие рекомендации:

При выполнении заданий с указанием «Выберите номер правильного ответа», Вы должны выбрать правильные ответы из предложенных и проставить их номера в соответствующую позицию в бланке ответов, правильных ответов может быть несколько.

При выполнении заданий с указанием «Дополните утверждения» Вы должны определить пропущенную информацию и внести  ее в соответствующую позицию бланка ответа.

При выполнении заданий с указанием «Установите соответствие» Вы должны найти однозначные связи между позициями левого и правого столбиков и занести ответ в  бланк ответов.

Желаем успеха!


ДИДАКТИЧЕСКИЙ ТЕСТ

Для проведения итогового контроля по дисциплине “Материаловедение и технология материалов”, раздел II тема 4 “Теоретическое материаловедение”.

1 Что показывает микроструктура?

а) взаимное расположение частиц;

б) взаимное расположение фаз их форму и размеры;

в) расположение фаз и размеры.

2 Какие существуют химические соединения?

а) устойчивые;

б) неустойчивые;

в) переменные

3 Твердые растворы замещения образуются путем:

а) замены атомов растворителя атомами растворенного компонента;

б) замены атомов растворенного компонента атомами растворителя;

в) замены атомов твердого вещества атомами растворителя

4 Что показывают диаграммы состояния, или диаграммы фазового

равновесия?

а) фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации;

б) фазовый состав сплава в зависимости от скорости и температуры;

в) фазовый состав сплава в зависимости от концентрации

5 В диаграммах состояния точка солидус – это?

а) точка, отвечающая началу кристаллизации;

б) точка, отвечающая концу кристаллизации;

в) точка, отвечающая за промежуточную кристаллизацию

6 Штампуемость углеродистых сталей ухудшается при:

а) повышении предела текучести;

б) понижении предела текучести;

в) повышении предела выносливости

7 С каким содержанием углерода сплава железа называют чугунами?

а) сплавы железа, содержащие больше 4% углерода;

б) сплавы железа, содержащие больше 2% углерода;

в) сплавы железа, содержащие больше 6% углерода;

8 Какой бывает деформацией металлов?

а) упругой и пластической;

б) пластической и вязкой;

в) упругой и прочной

9 Металлы с какой кристаллической решеткой упрочняются сильнее?

а) ГПУ

б) ОЦК

в) ГЦК

10 Дать определение понятию:

Материаловедение – это _________________________________________

_______________________________________________________________

__________________________________________________________

11 Подберите к каждому виду связи его представителя

1) ионная       а)Fe (переходный)

2) ковалентная      б)алмаз

3) металлическая      в)NaCl

12 Перечислите виды дефектов при их классификации по размеру:

• _____________________

• _____________________

• _____________________

• _____________________

13 Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

_______________________________________________________

14 Дать определение понятию:

Металлическим сплавом называется ________________________________

________________________________________________________________

15 Приведите примеры твердых растворов с неограниченной растворимостью: _________________________________________________________________

16 На какие группы делятся углеродистые стали по составу в зависимости от содержания углерода?

•________________________

• ________________________

•________________________

17 Дать определение понятию:

Деформацией называется __________________________________________

 _________________________________________________________________


4.1 Бланк ответов

Для проведения итогового контроля по дисциплине “Материаловедение и технология металлов”, раздел II “Теоретическое материаловедение”.

1 _________

6 _________

2 _________

7 _________

3 _________

8 _________

4 _________

9 _________

5 _________

10 ___________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

11 1 _______;  2 _______;  3 _______.

12 ● ___________________

     ● __________________  

     ● __________________

     ● __________________

13 _______________________________________________________

14____________________________________________________________________

______________________________________________________________________

15 ___________________________________________________________

16  ● __________________

     ● __________________

     ● __________________

17 ___________________________________________________________________

______________________________________________________________________

Выполнил________________________

                             (ФИО учащегося)

Оценка__________________________

Проверил_________________________________________________________

                       (должность)                       (подпись)                           (ФИО)


КОМПЛЕКТ ДИДАКТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА К КУРСУ

ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ « МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ»

(ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ)

ВИДЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК

            ОЦК                             ГЦК                          ГПУ

ИНДЕКСЫ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ПЛОСКОСТЕЙ

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО

Точечные дефекты

Двухмерные (поверхностные) дефекты

СТРОЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗМЕРА

Одномерные (линейные) дефекты


ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

Диаграмма состояния сплавов PbSb

        Пример применения правила отрезков:

а – для сплавов, образующих механические смеси,

      б – для сплавов, образующих твердые растворы

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной

растворимостью компанентов в твердом состоянии.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение


СХЕМА ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ

                        СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИНЫ

                             ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛА

Предел пропорциональности ;

Предел упругости ;

Предел текучести ; условный предел текучести σ0,2

Предел прочности ;

Относительное удлинение ;

Относительное сужение

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

Диаграмма состояния сплавов PbSb

        Пример применения правила отрезков:

а – для сплавов, образующих механические смеси,

      б – для сплавов, образующих твердые растворы

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной

растворимостью компанентов в твердом состоянии.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение


СХЕМА ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ

                        СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИНЫ

                             ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛА

Предел пропорциональности ;

Предел упругости ;

Предел текучести ; условный предел текучести σ0,2

Предел прочности ;

Относительное удлинение ;

Относительное сужение

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД


МИКРОСТРУКТУРА СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА

ФЕРРИТ В СТАЛИ

СТАЛЬ 0,2 % С

ЦЕМЕНТИТ И ПЕРЛИТ В СТАЛИ

СЕРЫЙ ЧУГУН

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дипломная работа была направлена на разработку методического обеспечения дисциплины «Материаловедение и технология материалов», в частности на создание курса лекций и дидактического материала для курсантов Уральского института Государственной противопожарной службы, обучающихся по специальности 330400 – Пожарная безопасность.

В ходе работы была определена роль курса «Материаловедение и технология материалов» в учебном процессе, установлены межпредметные связи с другими дисциплинами. На основании требований Государственного образовательного стандарта к уровню подготовки выпускника было сформулировано содержание курса лекций. Каждая лекция построена в соответствии с требования нормативно – методического обеспечения учебного процесса в вузе и содержит задание для самоподготовки курсантов по изученной теме. Для эффективного усвоения материала разработаны дидактические средства в виде плакатов и раздаточного материала. Дополнительно к лекциям были разработаны тестовые задания промежуточного контроля, позволяющие оценить уровень усвоения учащимися учебного материала.

Цель разработанного курса лекций и дидактического материала по дисциплине является облегчение изучения данной дисциплины и возможность организации самостоятельной работы обучающихся. Данная часть разработки включает тему дисциплины: «Теоретическое материаловедение».

Курс лекций используется в Уральском институте государственной противопожарной службы в течение двух лет. Данная работа позволит издать курс лекций по дисциплине «Материаловедение и технология материалов» в печатном виде для инженеров по специальности «Пожарная безопасность», что позволит об легчить работу преподавателей и изучение учебного материала курсантами, ориентирует на познавательную и самостоятельную деятельность.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Банных О.А., Александров Н.Н. Стали. Чугуны. – М.: Машиностроение, 2000. – 780 с.
  2.  Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1970. – 472 с.
  3.  Болховитинов Н.В., Болховитинова Е.Н. Атлас нормальных микроструктур металлов и сплавов. – М., 1955. – 96 с.
  4.  Гендина Н.И., Колкова Н.И. Нормативно-методическое обеспечение учебного процесса в вузе. Стандарты высшего учебного заведения: В 3 ч. – Кемерово, 1998. – 170 с.
  5.  Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Квалификация – инженер.Направление подготовки дипломированного специалиста – «Безопасность жизнедеятельности». Специальность 330400 «Пожарная безопасность». – М., 2000.
  6.  Гузанов Б.Н., Бухаленков В.В., Анисимова Л.И. Классификация и правила маркировки металлических материалов: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во Уральского института ГПС МЧС РФ, 2005. – 54 с.
  7.  Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1987. – 647 с.
  8.  Клюева Г.А. Разработка тестов достижений в учебных заведениях профессионального образования. Методические рекомендации. – Пермь: Изд-во ПОИПКРО, 2001. – 40 с.
  9.  Колесова С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.
  10.  Конаржевский Ю.А. Анализ урока. – М.: Центр «Педагогический поиск», 2000. – 336 с.
  11.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для машиностр. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
  12.  Лахтин Ю.М. Материаловедение и термическая обработка металлов: Учеб. для вузов –. М.: Металлургия, 1983. – 389 с.
  13.  Мамай С.П. Методика составления тестовых заданий: Учеб. пособие.– Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2001. – 58 с.
  14.  Материаловедение и технология металлов: Учеб. / Под ред. Г.П. Фетисова.– М.: Высш. шк., 1999. – 640 с.
  15.  Материаловедение и технология металлов. Рабочая программа цикла ОПД ГОС ВПО по специальности 330400 – Пожарная безопасность для слушателей очной и заочной форм обучения. – Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2005. – 20 с.
  16.  Никитина Н.Н., Железнякова О.М., Петухов М.А. Основы профессионально-педагогической деятельности: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. – М.: Мастерство, 2002. – 288 с.
  17.  Педагогика: педагогические теории, системы, технологии: Учеб. для студ. высш. и сред. пед. учеб. заведений / С.А. Смирнов, И.Б. Котова, Е.Н. Шиянов и др.; Под ред. С.А. Смирнова. – 4-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2001. – 512 с.
  18.  Пейсахов А.М., А.М. Кучер. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. – 2-е изд. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.
  19.  Пидкасистый П.И., Портнов М.Л. Искусство преподавания. Второе издание. Первая книга учителя. – М.: Педагогическое общество России, 1999. – 212 с.
  20.  Профессионально-педагогические понятия: Слов./ Сост. Г.М. Романцев, В.А. Федоров, И.В. Осипова, О.В. Тарасюк; Под ред. Г.М. Романцева. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 456 с.
  21.  Профессиональная педагогика: Учебник для студентов, обучающихся по педагогическим специальностям и направлениям. – М.: Ассоциация «профессиональное образование», 1997. – 512 с.
  22.  Сертификация, метрология и управление качеством: Крат. энцикл. слов. педагога проф. обучения / Авт. – сост. Л.И. Анисимова, Б.Н. Гузанов, И.В. Осипова, Ю.В. Околкова, Т.Б. Соколова, О.В. Тарасюк, М.А. Черепанов; Под общ. ред. Б.Н. Гузанова. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 176 с.
  23.  Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кноров, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. – 800 с.
  24.  Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учеб. для втузов. – М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
  25.  Федорец Г. Ф. Межпредметные связи в процессе обучения. – М.: Нар. образование, 1985.
  26.  Чернилевский Д.В. Дидактические технологии в высшей школе: Учеб. пособие для вузов. – М.: ЮНИТИ–ДАНА, 2002. – 437 с.
  27.  Шалунова М.Г., Эрганова Н.Е. Практикум по методике профессионального обучения: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 67 с.
  28.  Эрганова Н.Е. Методика профессионального обучения: Учеб. пособие. –

3-е изд., испр. и доп. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2003. –

150 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22960. ПИТАННЯ ПРО ПРИРОДУ ЛЮДИНИ 68 KB
  Питання сутності людини це питання про те які глибинні людські якості визначають специфіку людини і проявляється зовні в її природі. Природи людини дуже суперечлива. Наші біологічні властивості це лише передумови виникнення людини а якщо не буде соціальних умов то людина не виникне.
22961. Виявлення сутності суспільства 63 KB
  Пізнання. Уявлення про знання і пізнання. Теорія пізнання її предмет і метод. Чуттєве і раціональне пізнання.
22962. Форми раціонального пізнання 62 KB
  На їх основі створюються більш складні форми наукового пізнання: 1. Умовивід це форма мислення за допомогою якої з раніше встановленого знання або судження виводяться нові знанні нові судження. Напрямком сучасної західної філософії для якої головна проблема це зв’язок пізнання і розуміння герменевтика.
22963. Наукове пізнання 46.5 KB
  Це сукупність способів принципів пізнання прийомів і процедур якими керуються в тій або іншій галузі науки. Ця дисципліна входить до якоїсь галузі науки. Для сучасної науки в цілому характерним є методологічний плюралізм тобто вона прагне використовувати будьякі принципи і прийоми дослідження в їхньому сполученні і взаємодії. Питання етики науки.
22964. Філософський зміст буття 40.5 KB
  Форми буття. Це питання стосовно буття. Буття як філософська категорія означає умоосягаєму одвічну першореальність яка обумовлює все існуюче и пронизує його.
22965. Поняття про світогляд 53 KB
  Особливості ставлення людини до світу 2. А ми пристосовуємось до світу іншим способом ми активно перетворюємо його прагення пристосувати світ до себе змінюючи його своєю діяльністю олюднення світу тобто робити світ більш придатним до людини. Все це означає пізнання людини пізнання світу пізнання одночасно. Висновок: людині щоб існувати треба перетворювати дійність але для цього це перетворювання відбувається в голові людини.
22966. Історичні типи світогляду: світоглядні погляди або уявлення певної епохи 52 KB
  Будьте уважні термін філософія змінювався. Вперше в первинному розумінні терміном філософія позначалась уся сукупність зань про все в перекладі любов до мудрості. Філософія – це любов до мудрості це людська справа мудрими можуть будити лише боги а люди можуть тільки любити мудрість. Те що для буденної свідомості для релігії здається безсумнівною істиною те для філософії є вихідним пунктом роздуму над цим філософія думає.
22967. Форми філософського знання 51 KB
  Онтологія – теорія буття теорія дійсності розглядаються основні принципи що визначають устрій світу. Ми робимо такий висновок що Філософія – це найбільш пізній зрілий тип світогляду це система найбільш загальних теоретичних уявлень про взаємодію людини і світу. В людини є виначальні орієнтації визначаються особливостями її життєдіяльності і духовного світу. Ми змушені рахуватися з закономірностями зовнішнього світу.
22968. Найважливіші філософські питання 42 KB
  Теоретичний раціональний філософія наука. Духовний емоційноціннісний філософія релігія. Але філософія не є ні наукою ні релігією філософія це тип світогляду який повязаний з наукою і релігією не більше.