- •1 Классификация материалов. Требования к конструкционным материалам.
- •2 Металлы, их свойства. Кристаллическое строение металлов и типы кристаллических решеток металлов.
- •3 Плавление, кипение, кристаллизация металлов. Влияние переохлаждения на величину зерна.
- •4 Реальное кристаллическое строение металлов. Закон процесса кристаллизации.
- •5 Методы изучения структур металла.
- •6 Дендритная кристаллизация металлов. Строение стального слитка.
- •7 Аллотропическое превращение и магнитное превращение в металлах (превращения в твердых состояниях.
- •8 Дефекты кристаллического строения металлов (дислокация) и их влияние на прочность.
- •10 Теоретическая и практическая прочность металлов.
- •11 Остаточные напряжения. Наклёп.
- •12 Основные случаи взаимодействия компонентов в сплавах (механические смеси, твердые растворы, химические соединения).
- •13 Диаграмма состояния сплавов I рода. Эвтектика в сплавах.
- •14 Диаграмма состояния сплавов II рода. Неограниченная растворимость.
- •15 Связь между характером взаимодействия компонентов в двойных сплавах и их свойства (закон Курнакова).
- •16 Диаграмма состояния сплавов «железо-углерод». Характер взаимодействия железа с углеродом. Основные линии диаграммы.
- •17 Особенности кристаллизации и вторичные превращения в сталях.
- •18 Кристаллизация и вторичные превращения в чугунах.
- •19 Классификация углеродистых сталей (углеродистые обыкновенного качества, конструкционные качественные стали, инструментальные стали).
- •20 Влияние углерода и других примесей на структуру и свойства сталей.
- •21 Чугуны. Классификация чугунов (серый, белый, ковкий, высокопрочный).
- •22 Основные методы упрочнения стальных изделий. Термическая обработка сталей.
- •23 Отпуск стали. Отжиг стали. Нормализация стали.
- •24 Закалка стали. Выбор охлаждающих средств для закалки. Виды закалки сред.
- •25 Прокаливаемость и закаливаемость стали. Поверхностная закалка стали.
- •26 Термомеханическая обработка.
- •27 Химико-термическая обработка (цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация).
- •28 Легированные стали. Классификация, маркировка. Причины высокой прочности сталей по сравнению с углеродистыми.
- •29 Высокопрочные, пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, автоматные, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
- •30 Цветные металлы и сплавы. Медь и ее сплавы. Алюминий и его сплавы. Титан.
- •31 Неметаллические материалы. Резина, пластмассы. Классификация и основные части пластмасс.
- •2. Состав и свойства пластмасс
- •32 Производство чугуна и стали.
- •33 Литейное производство.
- •34 Обработка металлов давлением.
- •35 Обработка металлов резанием.
- •36 Электрофизические и электрохимические способы обработки металлов.
- •37 Производство неразъёмных соединений. Сварка, пайка.
- •38 Композиционные материалы (металлические, порошковые, полимерные)
- •39 Изготовление деталей из композиционных материалов, резины, пластмассы.
- •40 Основы порошковой металлургии.
7 Аллотропическое превращение и магнитное превращение в металлах (превращения в твердых состояниях.
Пространственные кристаллические решетки в некоторых металлах не всегда являются постоянными. При определенных условиях решетки могут изменяться. Это изменение происходит главным образом под влиянием температуры. Не исключено влияние и других факторов — изменения давления, наличия посторонних примесей и т. п. Способность металла иметь различные формы кристаллической решетки называется аллотропией, или полиформизмом. Аллотропические превращения происходят в железе, олове, титане, кобальте и других металлах. Медь, алюминий не претерпевают аллотропических превращений. Сущность аллотропии состоит в том, что при определенных температурах в твердом металле возникают новые центры кристаллизации, в процессе роста которых образуется новая решетка. Формирование новой решетки происходит с поглощением тепла при нагревании и с выделением тепла при охлаждении. Поэтому в период перестройки решетки температура остается неизменной и на кривой охлаждения характеризуется горизонтальной площадкой. Различные формы кристаллической решетки для данного металла называются модификациями. Модификацию, существующую при низких температурах, обозначают буквой а. Важнейшее значение в технике имеют аллотропические превращения в железе. До 1535° железо остается жидким, а при 1535° начинается кристаллизация железа. После затвердевания образуется решетка объемноцентрированного куба б-железа с параметром 2,93 А. Эта решетка сохраняется до 1390°, после чего происходит перестройка ее на новую модификацию у, имеющую гранецентрированную кубическую решетку с параметром 3,65 А. Ниже температуры 910° железо неустойчиво и переходит в новую форму, имеющую объемноцентрированную кубическую решетку с параметром 2,9 А. При температуре 768° происходит последняя температурная остановка, но она связана не с перестройкой решетки, а с образованием модификации а и появлением магнитных свойств.
8 Дефекты кристаллического строения металлов (дислокация) и их влияние на прочность.
В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией, значительно большей средней энергии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а). Рис. 2. Дефекты в кристаллах: а - вакансия, б — внедренный атом, в краевая линейная дислокация, г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2 На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры количество вакансий увеличивается и они чаще перемещаются из одного узла в другой. В диффузионных процессах, протекающих в металлах, вакансии играют определяющую роль. К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Шириной дислокации считают расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний. Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокации характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах. Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.
Анизотропия кристаллов. Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различаем плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях. Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам. Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на анизотропию свойств отдельных составляющих его зерен. 9 Упругая и пластическая деформация.
Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.
Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.
При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.
Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.
Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.
Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.
Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.
Физическая природа деформации металлов
Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.
Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.
С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.
Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.
При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.
При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.
Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.
Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.
Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.