Рауба Александр Александрович МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Краткий обзор курса
7 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
7 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
Схема испытания на ударную вязкость: а) образец, б) маятниковый копер 8
1
Схемы, иллюстрирующие основные типы связи в кристаллах: а) силы Ван-дер-Ваальса; б) ионная связь в NaCl ; в) металлическая связь в металлическом натрии; г) алмаз (ковалентная связь)
Si Si Si Si Si - - - - - - - - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар Механизм образования связи: обменный
Различия в электрических свойствах разных типов твердых тел могут объясняться : шириной запрещенных энергетических зон различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон W W W СЗ СЗ СЗ ВЗ ВЗ ВЗ ЗЗ ЗЗ диэлектрик проводник полупроводник Δ W з ~ 1 – 5 эВ Δ W з > 5 эВ
Число уровней = количество атомов × n 2
Число уровней = количество атомов × n 2
Силы взаимодействия двух атомов
Обобществленные электроны образуют подобие газа, частицы которого находятся в непрерывном хаотическом движении
Е
2
3 ПОЛИМОРФИЗМ (АЛЛОТРОПИЯ) – способность металла в зависимости от температуры и давления изменять свое кристаллическое строение (тип кристаллической решетки –модификации: α, β, γ, δ и т.п.) ПЕРИОД кристаллической решетки - расстояние между параллельными атомными плоскостями (для металлов значение его – в пределах 0,20 – 0,70 нм
кубическая (1 атом на ячейку) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома на ячейку) гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку) гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку) АК-218 4
Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) - объемноцентрированная кубическая (К8); б) - гранецентрированная кубическая (К12); в) - гексагональная плотноупакованная (Г12) 5
6 РЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 1)ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ 2) ЛЕГИРОВАНИЕ 3)ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Блочная структура кристалла: а) схема, б) в вольфраме, х 10 000 Структура границы двух соседних кристаллических зерен
9 ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Схема строения дендрита: 1–3 – оси первого, второго и третьего порядка Схема строения дендрита: 1–3 – оси первого, второго и третьего порядка Макроструктура стального слитка
10 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СПЛАВАХ СПЛАВЫ – ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ (ВСЕГДА ОДНОФАЗНЫ, МЯГКИЕ И ПЛАСТИЧНЫЕ ) СПЛАВЫ – СМЕСИ (МЕХАНИЧЕСКИЕ ) ВСЕГДА МНОГОФАЗНЫ ФАЗА – однородная часть системы, с поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства вещества изменяется скачком. Структура (строение ) - характеристика сплава по таким параметрам как количество, размер, форма, распределение, взаимное расположение отдельных фаз и структурных составляющих. СТРУКТУРНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава. Она может состоять из одной или нескольких фаз.
Структура и строение элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А и В) 11
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫМ РАСТВОРОМ называется сплав, в котором атомы растворенных компонентов находятся в кристаллической решетке компонента растворителя. МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (сплав-смесь) компонентов образуется тогда, когда они не образуют твердых растворов и химических соединений и кристаллы каждого компонента будут сохранять свои состав и свойства. Сплав - смесь, получающийся из жидкого раствора в результате первичной кристаллизации, называется эвтектикой. Она образуется при строго определенных температуре ( соотвенственно эвтектической линии) и концентрации компонентов сплава (координаты эвтектической точки ), которые называются эвтектическими. Сплав-смесь, кристаллизующаяся из твердого раствора строго определенной концентрации и при строго определенной температуре (вторичная кристаллизация), называется эвтектоидом. Сплав – Химическое соединение – это фаза, состав которой выражается химической формулой А n В m
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации. КРИТИЧЕСКАЯ ТОЧКА – температура, при которой в сплаве происходит какое либо превращение
Общий вид диаграммы состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов и кривые охлаждения сплавов: 1 – заэвтектического; 2 – доэвтектического; 3 – эвтектического
Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением 15
Т, о С 1539 1392 911 768 Ж Ж+ Fe δ Fe δ +Fe γ Fe γ +Fe β Fe β +Fe α Fe δ Fe γ Fe β Fe α t, ч
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Fe–Fe 3 C Фазы: ЖИДКИЙ РАСТВОР, ФЕРРИТ, АУСТЕНИТ, ЦЕМЕНТИТ Структурные составляющие: ЛЕДЕБУРИТ, ПЕРЛИТ
Микроструктура ледебурита (эвтектического белого чугуна)
СТАЛИ И БЕЛЫЕ ЧУГУНЫ СТАЛЬ – СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ (< 2 % С) + постоянные примеси ( Si, Mn, S, P, O 2, N 2, H 2 ) + случайные примеси ( Cr, Ni, Cu, V, W, и др.) ЧУГУН – СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ (>2 % С) + ТОЖЕ, ЧТО И ДЛЯ СТАЛЕЙ.
МИКРОСТРУКТУРА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
ПРИНЦИПЫ ОБОЗНАЧЕНИЕ МАРОК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94 ): Ст0, Ст1кп, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст6пс. Буквы « Ст » - «Сталь», ЦИФРЫ – условный номер марки, буква «Г» – марганец при его содержании 0,80 % и более, буквы « кп », « пс », « сп » – степень раскисления стали: « кп » – кипящая, « пс » – полуспокойная, « сп » – спокойная. Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050-88): горячекатаные (кованные - 08, 08 кп, 10, 15пс, …, 40 и др.-); 20Л, 25Л – литейные ; А12, АС40 – автоматные. ЦИФРЫ – содержание углерода в сотых долях процента. Углеродистые инструментальные стали : (У7, У8, У10, У12) - качественные ; У10А, У12А – высококачественные Буквы: «У» - обозначение углеродистых инструментальных; «А» - высококачественные с пониженным содержанием вредных примесей S и P ; ЦИФРЫ - содержание углерода в десятых долях процента. Например, У11–углеродистая инструментальная качественная со средним содержанием углерода - 11/10 % или 1,1 %
СТРУКТУРА И 0БОЗНАЧЕНИЕ МАРОК РАЗНЫХ ВИДОВ СЕРЫХ ЧУГУНОВ СЧ 35 – серый чугун с пластинчатым графитом; σ в = 350 МПа
15 ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВАНИИ
Изменение размера зерна при фазовой кристаллизации доэвтектоидной стали. При нагреве до высоких температур зерно крупное (1), после охлаждения размер его сохраняется (2). Повторный нагрев несколько выше А3 позволяет измельчить зерно аустенита (3), а после охлаждения получить мелкозернистую структуру (4)
Фотография (а) и схема (б) микроструктуры Видманштетта а) б)
График (а) и кривая (б) изотермического превращения аустенита
Схема построения диаграммы изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали
ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯ Х ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ
Схема образования микроструктуры пластинчатого перлита Микроструктуры перлита, сорбита и троостита
Электронные микроструктуры бейнита (х15000): а) верхнего, б) нижнего
МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ
Виды отжига стали: а – рекристаллизационный и низкотемпературный; б – диффузионный; в – полный; г – изотермический; д – неполный; е – циклический А 3 А 1 Т, С , ч а А 3 А 1 Т, С б А 3 А 1 А 3 А 1 А 3 А 1 д А 3 А 1 е , ч , ч Т, С Т, С Т, С Т, С в г , ч , ч , ч
Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом
НАКЛЕП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
ХТО – называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают, в среду богатую элементом (КАРБЮРИЗАТОР), и нагревают. Происходят следующие процессы: диссоциация – распад молекул карбюризатора и образование атомов диффундирующего элемента; адсорбция – поглощение атомов элемента поверхностью детали; диффузия – проникновение атомов элемента от поверхности вглубь металла (в поверхностные слои детали). МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
0,5 0,8 1,5 мм
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К –кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. 12Х2НВФА, 14Г2, 10ХСНД, 18Г2С, 15, 20Х, 15ХФ, 20Х2Н4А, 20ХГНР, 40ХН2МА, 35, 70С2ХАБ ШХ15, А12, А40Г, 20Х12ВНМФ, 40Х15Н7Г7Ф2МС, У12, У10А, ХВСГ
Температура плавления, °С 660 Плотность, кг/м 3 2700 Физические и механические свойства алюминия: Состояние листа Толщина листа, мм σв, МПа, не менее δ, %, не менее Отожженный Нагартованный Горячекатаный 1–10 4–10 5–10,5 60 130 70 28 5 15
Диаграмма состояния алюминий-легирующий элемент (схема): А – деформируемые сплавы, В – литейные сплавы, I, II – сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой соответственно 40
Физические и механические свойства меди : Температура плавления, ºС 1083 Плотность, кг/м 3 8940 Предел прочности, МПа 200–250 Относительное удлинение, % 40–50 41
Диаграмма состояния системы « Cu – Zn » Влияние содержания цинка на свойства латуней 42
Микроструктура латуни: а) отожженой α -латуни, б) литой α + β -латуни 43
Микроструктура оловянной бронзы с 5% олова: а) литая, б) отожженая 44
Форма макромолекулы полимеров: а – линейная; б – разветвленная; в – ленточная; г – пространственная, сетчатая, д – паркетная
Схема непрерывной структурной сетки стекла: а – кварцевого, б – натриево-силикатного
. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов с помощью катализаторов
. Схема строения композиционных материалов: а – дисперсноупрочненные; б - волокнистые; в - слоистые
. Классификация наполнителей по форме: а – нуль-мерные ; б – одномерные; в, г, д – двумерные
