Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М А Т Е  Р И А Л О В Е Д Е  Н И Е

Курс лекций

для студентов дистанционной  и заочной формы обучения

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ  МЕТАЛЛОВ
1.1. Металлы
1.2. Классификация металлов
1.3. Кристаллическое строение  металлов
1.4. Кристаллические решетки металлов
1.5. Реальное строение  металлических кристаллов
1.6. Анизотропия свойств  кристаллов
2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
2.1. Три состояния вещества
2.2. Энергетические условия процесса кристаллизации
2.3. Механизм процесса  кристаллизации
2.4. Форма кристаллических  образований
2.5. Строение слитка
2.6. Превращения в твердом  состоянии. Полиморфизм
3. механические свойства. НАКЛЕП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
3.1. Методы определения  механических свойств
Испытания на растяжение
Подготовка к испытанию
Оборудование для испытаний
Проведение испытаний
Показатели прочности
Показатели  пластичности
Определение твердости
Определение твердости  по методу Бринелля
Определение твердости  по методу Роквелла
Определение твердости по методу Виккерса
Определение микротвердости
Определение ударной вязкости
3.2. Наклеп
3.3. Влияние нагрева на строение  и свойства деформированного  металла
4. СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ
4.1. Смеси кристаллов  компонентов
4.2. Химическое соединение
4.3. Твердый раствор на основе одного из компонентов сплава
4.4. Твердый раствор  на основе химического соединения
4.5. Упорядоченные твердые  растворы
5. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ
5.1. Правило фаз
5.2. Общие замечания  о построении диаграмм состояния
5.3. Экспериментальное построение диаграмм
5.4. Термический анализ
5.5. Диаграмма состояния  для сплавов, образующих механические  смеси чистых компонентов
5.6. Правило отрезков
5.7. Диаграмма состояния  для сплавов с неограниченной  растворимостью в твердом состоянии
5.8. Диаграмма состояния  для сплавов с ограниченной  растворимостью в твердом состоянии
Диаграмма с эвтектикой
Диаграмма с перитектикой
5.9. Диаграмма состояния  для сплавов, образующих химические  соединения
Диаграмма с устойчивым химическим соединением
Диаграмма с неустойчивым химическим соединением
5.10. Диаграмма состояния  для сплавов, испытывающих полиморфные превращения
5.11. Связь между свойствами  сплавов и типом диаграммы  состояния
6. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ  СПЛАВЫ.
6.1. Диаграмма железо-углерод
Железо
Цементит
Диаграмма состояния
6.2. Углеродистые стали
Влияние углерода на свойства стали
Влияние постоянных примесей на свойства стали
Сталь различных способов производства
6.3. Чугун
Процесс графитизации
Структура чугуна. Формы графита
Структура и свойства чугуна
Примеси в чугуне
7. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
7.1. Общие положения  термической обработки
7.2. Классификация видов  термической обработки
7.3. Основные виды термической  обработки стали
7.4. Четыре основных превращения в стали
8. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКИ СТАЛИ
8.1. Образование аустенита
8.2. Распад аустенита
8.3. Мартенситное превращение
8.4. Бейнитное превращение
8.5. Превращения при  отпуске
8.6. Влияние термической  обработки на свойства стали
8.7. Термомеханическая  обработка
9. ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКИ СТАЛИ
9.1. Выбор температуры  закалки
9.2. Время нагрева
9.3. Химическое воздействие  нагревающей среды
9.4. Закалочные среды
9.5. Способы закалки
9.6. Обработка стали холодом
9.7. Дефекты, возникающие  при закалке
9.8. Отжиг и нормализация
9.9. Поверхностная закалка  стали
10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА СТАЛИ
10.1. Цементация
10.2. Азотирование
10.3. Цианирование
10.4. Нитроцементация
10.5. Борирование
10.6. Силицирование
10.7. Диффузионное насыщение  металлами
11. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ  И СПЛАВЫ
11.1. Влияние легирующих  элементов
11.2. Распределение легирующих элементов в стали
12. КЛАССИФИКАЦИЯ И  МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ
Химический  состав
Назначение
Качество
Степень раскисления
Сталь углеродистая обыкновенного качества
Сталь углеродистая качественная
Высококачественные  и особовысококачественные стали
Специальная маркировка сталей
13. КЛАССИФИКАЦИЯ И  МАРКИРОВКА ЧУГУНОВ
14. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Медь и ее сплавы
Алюминий и  его сплавы
Титан и его  сплавы
Магний и  его сплавы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

 

5. Металлы

 

Металловедение - наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.

Теоретическими основами металловедения являются такие науки, как кристаллография, физика твердого тела, физическая химия. В свою очередь на металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности и др.

Приступая к изучению металловедения, прежде всего необходимо ответить на вопрос: что такое металл? Еще М.В.Ломоносов определял металлы, как «светлые тела, которые ковать можно». Это простейшее определение не потеряло своего значения и сейчас. Однако более типичными, характерными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло- и электропроводность, увеличивающаяся с понижением температуры.

Отмеченные свойства металлов обусловлены  их электронным строением. В металлах электроны, находящиеся на внешних  оболочках (валентные электроны), не связаны с определенными атомами, а оторваны от них и принадлежат всему куску металла в целом. Такие электроны называют обычно электронами проводимости (или, по Френкелю, коллективизированными электронами), так как они способны легко ускоряться во внешнем электрическом поле и их упорядоченное движение обуславливает протекание электрического тока, т.е. электропроводность. Таким образом металл можно представить в виде положительного ионного остова, состоящего из атомных ядер с внутренними электронами, и коллективизированных электронов проводимости, образующих электронный газ.

1.2. Классификация металлов

 

Прежде всего металлы можно  разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539°С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Урановые металлы - актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) - лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов.

5. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами - галлий, германий.

Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Человечество еще не было знакомо с металлургией, способом получения металла из руд, а эти металлы в отличие от других, встречаются в природе в чистом (самородном) виде. Затем начали применять металлы, которые относительно легко восстанавливаются (олово, свинец) или их достаточно много в природе (железо).

 

1.3. Кристаллическое строение металлов

 

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, переходы между  которыми (так называемые фазовые  переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии F (F = U - TS, где U - внутренняя энергия; Т - температура; S - энтропия), энтропии, плотности и других физических свойств. Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму - сильно ионизированный газ.

Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собственный объем. Для теплового движения атомов в жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении атомов, т.е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на расстояниях, сравнимых с межатомными. Для жидкости в отличие от твердого тела характерно такое свойство, как текучесть.

Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т.е. существования так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т. д.). В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных, положений, т.е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени должна закристаллизоваться, т.е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело.

Для аморфного тела характерна изотропия свойств (одинаковые свойства по разным направлениям), а также  отсутствие точки плавления, т.е. при  повышении температуры аморфное тело размягчается Эти особенности вызваны отсутствием у аморфного тела дальнего порядка в расположении атомов, однако ближний порядок имеется. Таким образом, аморфное тело правильнее рассматривать как жидкость в переохлажденном, метастабильном состоянии с очень высоким коэффициентом вязкости.

Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно  отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связи в твердых телах: металлическую, ионную, ковалентную и связь Ван-дер-Ваальса. В большинстве случаев связи в твердых телах носят смешанный характер. В металлах и сплавах определяющее значение имеет металлический тип связи. Связь в металлах обусловлена взаимодействием положительных ионов с коллективизированными электронами. Свободные электроны проводимости, находясь между ионами, как бы «стягивают» их, компенсируя силы отталкивания. У ряда металлов (например, переходных) определенный вклад вносит также ковалентная связь, при которой объединяются два атома, временно передающие друг другу валентный электрон и удерживаемые поэтому силами электростатического притяжения. При ионной связи соседние атомы уже постоянно обменялись электронами.

 

1.4. Кристаллические решетки металлов

 

Атомы в кристаллическом  твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т.е. образуют кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно «построить», выбрав для этого определенный «строительный блок» и многократно смещая этот блок по трем непараллельным направлениям. Такая «строительная» единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках (в узлах кристаллической решетки). В первом случае элементарные ячейки называются простыми (примитивными), во втором - сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов внутри нее, то имеется полное геометрическое описание кристалла, т.е. известна его атомно-кристаллическая структура.

 

Рис. 1.1. Решетки Бравэ

 

В кристаллографии рассматривают 14 типов элементарных ячеек. Их называют пространственными решетками Бравэ. Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки а, b, с и три угла между ними a, b, g. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки (кристаллической решетки). Все 14 решеток Бравэ распределены по семи кристаллическим системам (сингониям) в соответствии с ориентацией и относительными величинами параметров решетки (рис. 1.1).

Наиболее распространенными  среди металлов являются гексагональная плотноупакованная решетка (г.п.у.) (Mg, Zn, Hf и др.), гранецентрированная кубическая (г.ц.к.) (Сu, Al, Pt и др.), объемноцентрированная кубическая (о.ц.к.) (Na, V, Nb и др.). Ряд металлов (например Fe) в зависимости от температуры и давления может существовать в состояниях с различными кристаллическими- решетками - это явление называется полиморфизмом.

 

1.5. Реальное строение металлических  кристаллов

 

Обычно кусок металла  состоит из скопления большого числа  маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами (Рис. 1.2.). Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом. Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом.

При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более.

 

Рис. 1.2. Структура поликристаллического тела.

 

Встречающиеся в природе  кристаллы, как монокристаллы, так  и зерна в поликристаллах, никогда  не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в  кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные). Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллическойрешетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения) (рис. 1.3.).