МІНІСТЕРСТВО ОСВІТІ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАІНИ

Макіївський металургійний технікум

МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Макіївка – 2013

Конспект лекцій з дисципліни: «Матеріалознавство».

Підготувала Туголукова І.Г. – викладач вищої категорії Макіївського металургійного технікуму – 2013р.

РОЗГЛЯНУТО ТА СХВАЛЕНО

На засіданні циклової комісії металургійних дисциплін та рекомендовано до затвердження

Протокол №_5_ від _22 січня__2013р.

Голова циклової комісії Письменна І.А.

ЗМІСТ

1. Вступ. Фізико-механічні властивості. Методи випробування

механічних властивостей

1. Теорія сплавів. Порошкові матеріали.

2. Дослідження стану «залізо-цементит».

3. Кольорові метали та сплави

4. Загальні положення термічної обробки сталі

5. Відпал сталі, гартування, відпуск

6. Зварювання плавленням. Ручне електродугове зварювання

7. Напівавтоматичне та автоматичне дугове зварювання в

атмосфері захисних газів

8. Електроерозійні методи обробки

9. Відновлення та обробка деталей пластичним деформуванням

10. Ремонт деталей полімерними матеріалами

Лекція 1

Тема: «Вступ. Фізико-механічні властивості. Методи випробування

механічних властивостей»

План

1. Поняття о металознавстві.

2. Роль науки о металах.

3. Сучасний стан розвитку металознавства.

4. Будова рідких металів і сплаві.

5. Властивості металів і сплавів

6. Макроструктурний аналіз.

7. Мікроскопичний аналіз.

8. Електронна мікроскопія.

9. Рентгеноструктурний аналіз і рентгенівська дефектоскопія.

10. Термічний метод.

11. Дилатометричний метод.

12. Магнітна дефектоскопія.

В історії суспільства метали і сплави завжди відігравали важливу роль, оскільки ніяка праця без них неможлива. Відповідно до матеріалу, з якого люди виготовляли собі знаряддя для добування засобів до, розрізняють великі історичні епохи:

Кам’яний вік – тисяч років тому;

Мідний вік – ІV тисячоліття до н.е.;

Бронзовий вік – ІІІ тисячоліття до н.е.;

Залізний вік – середина ІІ тисячоліття до н.е.

Тривалий час людство використовувало такі матеріали, як каміння, дерево, кість, ріг тому технологія матеріалів починається з давніх часів. Одним з перших матеріалів у житті людини був камінь. Але і бронза, залізо та інші метали мають в першооснові каміння – руду.

На початку цінність каменя визначали виключно за його формою та масою. Потім люди звернули увагу на твердість каменю. Далі вже зацікавились його складом і внутрішніми властивостями. Пізнавши властивості каменю, вони почали відкривати закони фізики, хімії. Вивчення відбитків рослин і тварин на камінні, дало змогу проникати у таємниці органічного світу. І чим глибше пізнавала людина каміння, тим більше нових матеріалів вдалося їй створити, тим сильнішою вона ставала в протистоянні природі. Будуючи міста, фабрики, заводи, прокладаючи дороги, запускаючи у космос ракети, людина використовує у роботі незліченну кількість мінеральної сировини. З розвитком машинної індустрії значення матеріалів різко зросло, а технологія їх обробітки стала вдосконалюватись.

Коли йдеться про нові досягнення сучасної техніки, слід пам’ятати , що однією з їх передумов було створено нових матеріалів з наперед заданими властивостями (міцністю, твердістю, зносостійкістю, стійкістю до дії високих температур і агресивного середовища і т.п.).І хоча у металів з’явилися серйозні конкуренти, так як полімери та керамічні матеріали, вони зберігають свої вагомі позиції у основних сферах людської діяльності. Особливе значення в історії людства має залізо – один з основних продуктів сучасної промисловості. Ще народи давнього світу виробляли й використовували залізо і його сплави та піддавали їх термічній обробці.

Нині з металу або з його допомогою виробляють величезну кількість предметів – від цвяха до космічного корабля. Виробництво металів, уміння покращувати їх властивості, створення матеріалів з наперед заданими властивостями – важливі показники, що характеризують рівень розвитку суспільства, віддзеркалюють ступінь техніко-економічної зрілості країни.

Швидкий розвиток техніки вимагав застосування нових металічних матеріалів, що стали можливим тільки тоді, коли почалось систематичне вивчення зв’язків між складом, обробкою, будовою і властивостями металів і сплавів. Усе це вимагало також підготовки фахівців з матеріалознавства.

Металознавство, як спеціальна дисципліна сформувалася протягом останніх ста років. В наш час виробництво металів виконує одну з основних функцій в господарстві будь-якої країни, а продукція металургії має пріоритетне значення на світових ринках.

За останні роки металознавство зробило нові кроки: почали застосовуватись більш сучасні види термічної і хіміко-термічної обробки сталей, розвинута теорія легування і мікро легування сплавів, на її основі створені високоміцні, корозійностійкі, жароміцні сталі, а також сплави алюмінію, магнію, титану та інших металів.

Наука про метали наближається до такого стану, коли на основі системного аналізу з використанням обчислювальних машин, можна буде проводити обґрунтування хімічного складу, структури, прогнозувати і розраховувати з достатньою точністю властивості нових унікальних сталей і сплавів.

Будова рідких металів і сплавів у певній мірі впливає на формування деяких особливостей їх будови в твердому стані, що має експериментальні підтвердження за допомогою сучасних методів досліджень і використовується при розробленні технології виплавки і твердіння сплавів.

Рідкі метали, як і кристалічні, характеризуються близькими значеннями густини, тому їх об'єднують під назвою конденсованих фаз. Вони істотно відрізняються від металевого газу. Кристалічний метал характеризується далеким порядком розташування атомів, тобто повністю закономірне розміщення атомів у просторі спостерігається на великих відстанях від окремо взятого (даного атома). В рідкому металі впорядковане розташування спостерігається тільки в найближчому оточенні даного атома, тому будова рідкого металу характеризується наявністю близького порядку.

Коли рідкий метал нагріти вище температури плавлення при незначному перегріванні, то в ньому виникають, деякий час існують і розпадаються субмікроскопічні об'єми, що характеризуються далеким порядком.

Важлива роль будови рідини в наступній кристалізації підтверджується попередньою обробкою розплавів. Застосовують різні види обробки, що впливають на процес кристалізації: перегрівання та термоциклування, струшування, електромагнітне перемішування, обробка за допомогою коливань низької та ультразвукової частоти, обробка змінним або постійним електричним струмом. Обробка електричним струмом при кристалізації чавуну приводить до подрібнення й більш рівномірного розподілу графіту, внаслідок чого зростає міцність чавунних виливків.

Електромагнітна обробка розплаву силуміну викликає такий же ефект, який має рафінування алюмінієвих сплавів під час кристалізації.

Електромагнітне перемішування розплавленого чавуну, приводить до прискорення реакцій на межі метал-шлак, сприяє виведенню сірки, кисню та інших газів. До того ж, форма включень графіту змінюється з пластинчастої на кулясту.

Під металами розуміють такі елементи, які, вступаючи у хімічну реакцію з неметалами, віддають їм свої валентні електрони.

Метали — кристалічні тіла, що характеризуються високими: електро- та теплопровідністю, ковкістю та іншими властивостями, що обумовлені наявністю в них значної кількості рухомих електронів провідності. Колір металу залежить від його здатності відбивати світло у видимому діапазоні довжин хвиль.

Усі метали ділять на дві великі групи: чорні (залізні) й кольорові (незалізні).

Чорні метали — це залізо та його сплави (сталь, чавун, феросплави). На їх частку припадає 95% світової металопродукції.

Кольорові метали — усі інші метали, крім чорних.

Для оцінки й дослідження властивостей металів і сплавів застосовують різні методи — фізичні, структурні, механічні.

Розповсюдженість металів показана в табл. 1

Таблиця 1 Розповсюдженість хімічних елементів в земній корі, % маси

Назва елемента	Вміст	Назва елемента	Вміст	Назва елемента	Вміст
Кисень (О)	49,5	Фтор (F)	0,065	Олово (Sп)	0,004
Кремній (Sі)	25,3	Сірка (S)	0,05	Кобальт (Со)	0,003
Алюміній (Аl)	7,5	Барій (Ва)	0,05	Свинець (РЬ)	0,0016
Залізо (Fе)	5,08	Хлор (СІ)	0,045	Миш'як (Аr)	0,0005
Кальцій (Са)	3,39	Стронцій (Sr)	0,04	Бор (В)	0,0003
Натрій (Nа)	2,63	Рубідій (Sr)	0,031	Уран (U)	0,0003
Калій (К)	2,40	Цирконій (Zr)	0,02	Бром (Вr)	0,00016
Магній (Мg)	1,93	Хром (Сr)	0,02	Йод (І)	0,00003
Водень (Н)	0,97	Ванадій (V)	0,015	Срібло (Аg)	0,00001
Титан (Ті)	0,62	Азот (N)	0,01	Ртуть (Нg)	0,000007
Вуглець (С)	0,1	Мідь (Си)	0,01	Золото (Аи)	0,0000005
Марганець(Мп)	0,09	Нікель Nі	0,008	Платина(Рt)	0,0000005
Фосфор (Р)	0,08	Цинк (Zп)	0,005	Радій (Rа)	0,0000000001

Властивості металів і сплавів

Властивості металів і сплавів залежать від їх складу і стану. Домішки, які є в металі чи в сплаві, значно змінюють його властивості. Наприклад, 0,1% Р в міді знижує її електричну провідність у 2 рази, а 0,5% Р — більш як у 5 разів.

Властивості металів і сплавів прийнято розділяти на фізичні, механічні, технологічні, хімічні та експлуатаційні (спеціальні).

Фізичні властивості

До фізичних відносять теплові властивості (теплоємність, теплопровідність, температура плавлення, теплове розширення), електричну провідність, магнітну проникність, густину, колір тощо.

Теплоємністю називають здатність металу при нагріванні поглинати певну кількість теплоти. Теплоємності різних металів порівнюють за значенням питомої теплоємності. Питома теплоємність — це кількість теплоти, що необхідна для підвищення температури 1кг металу на 1 °С. Питома теплоємність залежить від температури, хоча в багатьох випадках цією залежністю нехтують.

Теплоємність речовин залежить від умов нагрівання. Розрізняють теплоємність при постійному тиску С_Р і теплоємність при постійному об'ємі Сv. Завжди С_р> Сv. Для твердих речовин теплоємності С_Р і Сv мало відрізняються. Питомі теплоємності деяких матеріалів наведені у табл. 2.

Таблиця 2 – Питомі теплоємності деяких матеріалів при постійному об'ємі

Матеріал	Сv,КДж/(кг*град)	Матеріал	Сv,КДж/(кг*град)
Дерево (сосна, дуб)	1,7-2,8	Сu	0,39
Fе	0,45	Sn	0,23
Аu	0,13	Нg	0,14
Латунь	0,38	Рb	0,13
Лід	4,19	Сталь	0,46
Мg	1,3	Чавун	0,50

Теплопровідністю називають здатність металів передавати теплоту від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла. Теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності , Вт/(м*град). Велику теплопровідність мають при 0 °С срібло, алюміній, мідь (табл.3). Теплопровідність заліза майже у 5 разів менша, ніж міді. Малу теплопровідність мають марганець, вісмут, титан.

Таблиця 3 - Коефіцієнти теплопровідності деяких матеріалів

Матеріал	, Вт/(м*град)	Матеріал	, Вт/(м*град)
Аg	429,0	Н2О	0,6
Сu	403,0	Скло	0,4-1,0
Fе	86,5	Дерево	0,16-0,25
Sn	68,2	Азбест	0,12
Рb	35,6	О2	0,024
Нg	7,82	N2	0,024

Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить теплоту, то при нагріванні і швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) в ньому утворюються тріщини. Деякі деталі машин (лопатки турбін, поршні двигунів) повинні виготовлятися з металів, що мають високу теплопровідність.

Температурою плавлення Т_т називають температуру переходу металу з твердого стану до рідкого. Залежно від температури плавлення розрізняють:

• тугоплавкі метали (W - 3416 °С. Rе - 3180 °С, Та - 2950 °С, NЬ - 2500 °С, Мо - 2620°С, Нf - 2222 °С, Сr — 1903 °С, V - 1900 °С, Zr -1852 °С, Ті- 1725 °С);

• легкоплавкі метали (Sп — 232 °С, РЬ — 327 °С, Zп — 419,5 °С, Аll— 660 °С)

Найнижчу температуру плавлення (—38,9 °С) має Нg.

До особливо тугоплавких сполук відносяться ТіN — 3200 °С, НfN — 3580 °С, ZrС - 3805°С, ТаС - 4070 ^СС, НfС - 4160 °С.

Домішки у кристалічних речовинах знижують температуру плавлення. Цим користуються на практиці для одержання сплавів з низькою температурою плавлення. Наприклад, сплав Вуда, що містить 50 % Ві, 25 % РЬ, 5 % Sп, 12,5 % Сd має температуру плавлення 68 °С.

Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірі при нагріванні і зменшуватися при охолоджуванні. Теплове розширення визначається коефіцієнтом лінійного розширення — (к. л. р.); останній ( ) характеризує збільшення одиниці довжини при нагріванні на 1 °С від 0 °С:

де l₁, l₂ — початкова і кінцева довжина взірця,

t₁, t₂ — початкова і кінцева температура.

Коефіцієнт об'ємного розширення (к. о. р.) дорівнює 3 . Великий к. л. р. при 20 °С мають: RЬ – 90 * 10^-6, Zп - 30-10^-6, РЬ -28*10^-6, АІ —23,1*10^-6, Си- 16,4*10^-6, Fе - 11,5* 10^-6 Для порівняння к. л, р. скла становить (7—9)* 10^-6; кремнію при 3 °С — 2,5 * 10^-6.

Малий к. л.р. мають: W - 4,3 *10^-6, Мо — 4,9 * 10^-6, Ті — 7,14*10^-6. Коефіцієнт лінійного розширення визначають на дилатометрі.

Теплове розширення необхідно враховувати при зварюванні, куванні, гарячому штампуванні, при складанні точних з'єднань і приладів, при будівництві мостових форм, укладанні залізничних рейок.

Електрична провідність та електричний опір характеризують здатність металів проводити електричний струм. Висока електрична провідність необхідна, наприклад, для проводів електричного струму (Си, А1) і навпаки, при виготовленні електронагрівальних приладів і печей необхідні сплави з високим електричним опором (ніхром, константан, манганін).

Малий питомий опір електричному струму (мкОм * м) при 20 °С мають: Аg — 0,0159; Си — 0,0175; А1 — 0,028; великий питомий опір — Мп— 1,85; Ві - 1,068.

За електричною провідністю матеріали розділяють на провідники, напівпровідники та діелектрики. Провідники мають провідність > 10⁶ (Ом*м)^-1, напівпровідники = 10^-8—10⁶(Ом*м)^-1, діелектрики — < 10^-8 (Ом*м)^-1.

Електрична провідність металів залежить від ступеня їх чистоти. У чистих металів питомий опір менший ніж у сплавів.

Електрична провідність металів залежить від температури. При підвищенні температури вона зменшується.

Багато металів (Аl, Ті, Zп, РЬ та ін.) при низьких температурах набувають властивості надпровідності (тобто зниження електричного опору до нуля). Надпровідність — властивість багатьох провідників, при якій їх електричний опір стрибком падає до нуля при охолодженні нижче відповідної, критичної температури Т_к. Температура, при якій спостерігається повне зникнення опору, називається критичною. Критичні температури чистих металів знаходяться в інтервалі від сотих часток градуса Кельвіна (К) до 9 К (табл. 4). У надпровідний стан можуть переходити також кілька стільників металічних сплавів і сполук та деякі сильно леговані напівпровідники.

Таблиця 4 - Температура переходу в надпровідний стан і критичне магнітне поле

Речовина	Критична температура Тк, К	Критичне поле Н0
РЬ	7,2	800
Та	4,5	830
Sп	3,7	310
Аl	1,2	100
Zп	0,88	53
W	0,01	1

Магнітні властивості.

Другий найважливіший параметр для надпровідників — критичне магнітне поле Н_о, при перевищенні якого надпровідники переходять у нормальний (ненадпровідний) стан (табл. 4).

Магнітні властивості.

Коефіцієнт магнітної проникності:

де В— магнітна індукція,

Н - напруженість магнітного поля.

Максимальну магнітну проникність мають Fе (до температури 768 °С), Мі, Со та деякі сплави (наприклад, Fе+Nі). Інші метали мають незначну магнітну проникність, їх вважають практично немагнітними,

Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі та для виготовлення магнітів,

Густина металу характеризується масою в одиниці об'єму. За густиною всі метали ділять на легкі (менше 4500 кг/м³) і важкі. Густина має велике значення при створенні різних виробів. Наприклад, в літа-ко- та ракетобудуванні прагнуть використовувати легші метали і сплави (алюмінієві, магнієві, титанові), що сприяє зниженню маси виробів.

Найбільшою густиною відрізняється О_S — 22500 кг/м-, найменшою — Lі- 530 кг/м³.

Кольором називають здатність металів відбивати світлове випромінювання з відповідною довжиною хвилі і набувати при цьому забарвлення. Наприклад, Си має рожево-червоний колір, АІ — сріблясто-білий.

Механічні властивості

Під механічними властивостями розуміють здатність металу чинити опір дії зовнішніх сил. При виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно враховувати його механічні властивості (міцність, пружність, ударну в'язкість, твердість та витривалість), їх визначають за допомогою механічних випробувань, при яких метали піддають дії зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердих тілах напруження і деформацію.

Напруження — відношення навантаження до одиниці площі поперечного перерізу зразка.

Деформація — зміна форми та розмірів твердого тіла під впливом зовнішніх сил.

Для визначення міцності, пружності і пластичності метали у вигляді зразків круглої (плоскої) форми випробовують на статичне розтягання — за ГОСТом 1497. Випробування проводять на розривних машинах і одержують діаграму розтягання (рис. 1).

Рис. 1. Умовна діаграма розтягання

На осі абсцис відкладають значення деформації, на осі ординат — навантаження, яке прикладене до зразка.

Міцність — здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантаження. Міцність оцінюється максимальним навантаженням, що витримує матеріал без руйнування (Р_тах), навантаженням при якому відбувається пластична деформація (Р_Т). До характеристик поведінки матеріалу відносять навантаження при якому залишкове видовження досягає 0,05 % (Р_пр) і навантаження до якого виконується закон Гука (Рпц), а також навантаження при якому відбувається руйнування (Р_к).

Чим вище відносне видовження і звуження для матеріалу, тим він більш пластичний. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу — властивість негативна.

Ударна в'язкість — здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням. Ударна в'язкість визначається відношенням витраченої на руйнування зразка роботи до площі його поперечного перерізу і вимірюється в МДж/м²:

КС = К / F.

Визначення ударної в'язкості особливо важливе для металів, які працюють при низьких температурах і виявляють схильність до холодноламкості. Чим нижчий поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить у крихке, і більший запас в'язкості матеріалу, тим більш надійним є матеріал.

Холодноламкість — зниження ударної в'язкості при низьких температурах.

Циклічна в'язкість — здатність матеріалу поглинати енергію при повторно-змінних навантаженнях. Матеріали з високою циклічною в'язкістю швидко гасять вібрації, які є причиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун має високу циклічну в'язкість. Для станин верстатів і корпусних деталей чавун цінніший від вуглецевої сталі.

Твердість — здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла. Високу твердість мають металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези. Твердість металу визначають за Брінелем, Роквелом і Вікерсом.

Твердість металу в малих об'ємах оцінюють шляхом визначення мікротвердості. Наконечник приладу являє собою алмазну піраміду (чотиригранну) з кутом при вершині 136°. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.

Втома — процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напружень, які призводять до утворення, тріщин і руйнувань. Втома металу викликається концентрацією напружень в окремих його об'ємах (в місцях накопичення неметалічних і газових включень, структурних дефектів). Випробування на втому про-, водять на машинах для повторно-змінного вигинання закріпленого одним або обома кінцями зразка, що обертається; на машинах для випробувань на розтягання-стиснення і на повторно-змінне скручування. У результаті випробувань визначають границю витривалості, що характеризує опір втомі.

Витривалість — властивість матеріалу протистояти втомі. Границя витривалості — максимальне напруження (задане число циклів навантаження), яке може витримати метал без руйнування. Між границями витривалості та міцності існує приблизна залежність:

,

де — границі витривалості відповідно при вигинанні І розтяганні-стисненні.