2.ФИЗ.ХИМ.МЕХ.СВ-ВА МЕТ.Металлы обладают физ.мех.хим.технологич.и эксплуатационными св-ми, которые необходимо знать в каждом конкретном случае при выборе материала для изготовления детали, чтобы она была работоспособной, качественной.

К Физ. Св-м металлов относят: плотность, магнитность, Эл.проводность, линейное расширение и тем.плавления.

К хим. св-м характериз. Металл как взаимодействует с окружающей средой окисляется, как растворяется в разл. Агрессивных средах.(в воде, кислотах, щелочах.).

Мех.св-ва: учитывают и сравнивают с нагрузками под которыми работают детали. Это: временное сопротивление, предел прочности при растяжении, относительное удлинение при растяжении, относительное сужение площади поперечного сечения при растяжении, в образный разряд для испытания нагрузки, ударная вязкость, твердость. Все механические характеристики определяются на различных машинах и твердомерах.

К тех.св-м. относят способность металла подвергаться тем или иным способам обработки:

ОМД-обработка металла давлением широкий диапазон очень легко обрабатыв.стали, не обрабатываются чугуны.

ОМЛ-обработка металла литьем, хорошо льется чугун,плохо льются стали, они не жидкотекучи.

ОМР-обр.мет.резанием также находится в широком диапазоне автоматные стали легкообр.,износостойкие стали не обрабатываются.

ОМСВ-углерод.констр.стали обыкновенного качества очень легко свариваются.

Экспл.св-ва металлов характериз.способ металла работать в тех или иных условиях к ним относят хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность,износостойкостьв условиях образивного износа,карозионностойкость.

4.Дефекты кристаллического строения металлов.В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кри­сталлического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты. Эти дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, пли дырки», т. е. узлы ре­шетки, в которых атомы отсутствуют. Вакансии чаще обра­зуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность (гра­ницу зерна, пустоты, трещины и т. д.) или их полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате перехода в междоузлие. В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значи­тельно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные вблизи поверхности, могут выйти на по­верхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности, а принадлежавшие им узлы окажутся свободными, т. е. воз­никнут тепловые вакансии.С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, может достигать 1%по отношению к числу атомов в кристалле. Быстрым охлаждением от данной температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной температуре (закалка вакансий).Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в ре­зультате действия атомов примесей, которые, как правило, присутствуют даже в самом чистом металле.'Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической ре­шетки. Смешения вокруг вакансий возникают только в первых двух слоях соседних атомов и составляют доли межатом­ного расстояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решет­ках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.Точечные дефекты оказывают влияние на неко­торые физические свойства металла (электропроводность, магнитные свой­ства и др.) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями.Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызнанное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоско­сти чертежа.Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислока­цию называют положительной, а если в ниж­ней—то отрицательной. Различие между поло­жительной и отрицательной дислокацией чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия. Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. Винтовые дисло­кации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закру­ченной в виде винтовой поверхности.Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих иска­жение кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстра-плоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края — больше.Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важ­нейших характеристик дислокации любого типа. Чтобы оценить степень искажения решетки, вызванной линейной дислокацией, следует сравнить совершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. Дислокации образуются в процессе крист.металлов из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Поверхностные дефекты. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками поликристаллического металла. Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен, образующих мозаичную структуру. Зерна обычно разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких их десятков. Блоки и субзерна, повернуты по отношению др.др. на угол от нескольких секунд до нескольких минут, имеют размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов. В пределах каждого блока, или субзерна, решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков, или субзерен, оказывают большое влияние на свойства металла. Границы между отдельными кристаллитами представляют собой переходную область шириной в 5-10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристалло­графическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имею­щего иную кристаллографическую ориентацию. В связи с этим на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков или субзерен.Границы блоков, а также малоугловые границы зерен образованы дис­локациями. С увеличением угла разориентировки блоков или субзерен и уменьшения их величины плотность дислокаций в металле уве­личивается. Атомы на границах зерен имеют повышенную потенциальную энергию. Такую повышенную энергию имеют и атомы, расположенные на по­верхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия.

5.Анизотропия.Не трудно видеть что плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Так, например, плоскости (100)в объемно-центрированной кубической решетке принадлежит лишь один атом (¼ × 4 ), плоскости ромбического додекаэдра (110) два атома: один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах (¼ × 4 ), и один атом в центре куба. В гранецентрированной кубической решетке плоскостью с наиболее плотным расположением атомов будет плоскость октаэдра (111 ), а в объемно- центрированной кубической решетке плоскость (110 ).

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства ( хим. Физ. Мех.) каждого кристалла зависят от направления решетки. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Кристалл- тело анизотропное в отличие от аморфных тел ( стекло, пластмассы, и др. ) свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами. Т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов. В большинстве случаев, кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированны один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т. е. поликристаллическое тело не является изотропным. Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если кристаллиты имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких- то направлениях. Эта ориентированность, или текстура. Создается в известной степени, но не полностью в результате значительной холодной деформации; в этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

6. ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) назы­вается кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией или термодинамическим потенциалам, т.е. когда свободная энергия кристалла меньше жидкой фазы. Выше температуры t_n более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При температуре t_п величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны. Темпе­ратура f_n соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и при том бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Процесс кри­сталлизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность свободных энергий Af, образующаяся вследствие меньшей свободной энер­гии твердого металла по сравнению с жидким. При очень медленном" охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристал­лизации, несмотря па отвод теплоты при охлаждении. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возра­стает, и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При за­твердевании очень чистых металлов степень переохлаждения At может быть очень велика. Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10—30-43.Процесс кристаллизации, на­чинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллиза­ции) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. При переохлаждении сплава ниже температуры /„ на многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристалличе­ские зародыши, называемые критическими. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех на­правлениях, где есть свободный доступ «питающей жидкости. В результа­те растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную фор­му, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами, или зернами.

7. Полиморфные превращения

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных поли­морфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного тина, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в дру­гую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (крити­ческая точка) и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощением теплоты - в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фазы, для того чтобы полиморф­ное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перена­грев) относительно равновесной температуры, для возникновения разности свободных энергий между исходной и" образующейся новой модификация­ми. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переохлаждения. Полиморфное превращение по своему механизму — кристаллизационный процесс осуществляется путем образо­вания зародышей и последующего их роста.При полиморфном превращении кристаллы (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно не связанных пере­ходов атомов через границу'фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (например, (S), атомы по одиночке или группами присоединяются к решет­ке новой фазы (а), и, как следствие этого, граница зерна а. передвигается в сторону зерна (3, «поедая» исходную фазу. Зародыши новой модифика­ции наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллитов или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии. Вновь образую­щиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристал­лам исходной модификации.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристал­лические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превра­щение также называют перекристаллизацией. Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводно­сти, электропроводности, магнитных свойств, механических й химических свойств и т. д.

8.Методы исследования строения и свойств сплавов. Успешное развитие машиностроения и связанных с ним отраслей промыш­ленности обязано тому, что в процессе производства конструкционных материа­лов и различных изделий из них широко используются различные методы иссле­дования строения и свойств металлических сплавов и других материалов.Развитие этих методов обусловлено необходимостью получать сведения об эксплуатационной надежности используемых материалов, о причинах поломок и аварий, об остаточном ресурсе вязкостно-прочностных свойств у материала изделия в процессе эксплуатации, а также о путях совершенство­вания строения и свойств конструкционных материалов.К настоящему времени сложилось много различных методов исследова­ния металлов. Все их можно разделить на теоретические и экспериментальные.К теоретическим, относится анализ соответствующих диа­грамм состояний с целью получения сведений о строении и свойствах инте­ресующих нас сплавов не только в равновесном состоянии, но и после их термообработки.Большинство методов исследования являются экспериментальными, ос­нованными на анализе результатов наблюдения строения металла или ре­зультатов его испытания, проводимого по какой-то методике.

Первым возник метод макроскопического исследования путем наблюдения исследуемого изделия простым глазом или с помощью лупы.Этим методом при наличии опыта и соответствующих навыков можно определить качество металла по внешнему виду изделия, оце­нивая состояние его поверхности, наличие явных дефектных мест и других характерных признаков.Наблюдая отполированные и протравленные по специальной методике, можно обнаружить в металле различные внутренние дефекты: поры, раковины, неметаллические включения и особенно включения вред­ных примесей, а также оценить характер строения .Визуально оценивается также качество металла по виду излома специ­ального образца, например разрушенного образца при испытании на удар­ный изгиб, или подобного ему образца, раскрывающего особенности строения и металлургического качества металла в сечении изделия. Такое иссле­дование называется фрактографическим. При фрактографическом исследовании по виду излома судят о вязкости или хрупкости металла. Матово-волокнистый излом свидетельствует о вязкости, а блестяще-кристаллический — о хрупкости.В изломе могут оказаться мелкие или крупные расслоения металла (так называемые шиферность и слоистость), свидетельствующие о его плохом металлургическом качестве и низкой прочности.Оптические микроскопы дают возможность различать в строении ме­талла структурные элементы размером не менее 0,2 мкм (200 нм). Их полез­ное увеличение составляет до 1500—2000 раз. Существуют две разновидно­сти электронных микроскопов: просвечивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ).Особенности атомно-кристаллического строения изучаются с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот вид анализа основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке.Особенности распределения примесей и компонентов в сплавах (в том числе легирующих элементов в зернах стали) позволяет обнаружить рентгеноспек-тральный микроанализ (РСМА). РСМА основан на определении химического со­става микрообластей на специально приготовленном микрошлифе. Разрешающая способность — порядка нескольких микрометров. Этим методом можно успеш­но изучать ликвационные процессы в сплавах, особенно дендритную ликвацию.

При физических методах исследования металл подвергается тепловому, электрическому или магнитному воздействию, по результатам которого судят об особенностях его строения и свойств. В основе этих методов лежит давно извест­ное положение о зависимости физических свойств металла от изменений в его строении при различных воздействиях, в том числе механических и термических. Самыми распространенными являются ме­тоды испытания механических свойств и натурные испытания деталей или готовых изделий при нагружении в эксплуатационных условиях на специально создаваемых стендах (стендовые испытания).

9.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ. Создание металлических сплавов является первым и наиболее ответственным этапом, во время которого в конструкционный материал должны быть заложены важнейшие предпосылки для формирования оптимальной дислокационной структуры и хорошего металлургического качества на всех последующих этапах. Сплавы сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами. Сплав считается металлическим, если его основу 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 зависимости от природы сплавляемых компонентов они, взаимодей­ствуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свойствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строения электрон­ных оболочек их атомов, типов и параметров их кристаллических решеток, соот­ношения температур их плавления, их атомных диаметров и других факторов. В зависимости от преобладания тех или иных перечисленных факторов компоненты при сплавлении могут образовывать: смеси своих зерен с пре­небрежимо ничтожной взаимной растворимостью; неограниченно или час­тично растворяться друг в друге; образовывать химические соединения. Смеси состоят из практически чистых зерен обоих компонентов, сохра­няющих присущие им типы кристаллических решеток и прочностные свой­ства. При растворении компонентов друг в друге образуются твердые растворы. Получающийся при этом продукт представляет собой зерна, кристалли­ческая решетка которых построена из атомов обоих компонентов. Если атомы растворимого компонента замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Такие растворы образуют компоненты с аналогичными типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров. Если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр, то образуется твердый раствор внедрения. В этом случае энергоза­траты на образование раствора оказываются меньшими, так как атомы рас­творимого компонента (например, углерода в железе) размещаются в меж­доузлии ячейки кристаллической решетки растворителя, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки. При ограниченной растворимости компонентов за пределами их раство­римости образуются или смеси зерен ограниченных твердых растворов обо­их компонентов друг в друге, или смеси зерен ограниченного раствора и химического соединения ком­понентов.

В твердых растворах замещения преобладающей связью между атомами является металлическая. В растворах внедрения вместе с металлической мо­жет возникать и ковалентная связь. Образующиеся при сплавлении двух компонентов химические соедине­ния имеют строго определенный состав. Они представляют собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих ком­понентов. Ячейки решеток химических соединений имеют сложное строе­ние. Связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами. Существует несколь­ко видов химических соединений, отличающихся спецификой строения и свойств. Все существующие металлические сплавы можно разделить на четыре основных вида (рода): 1) смесь зерен компонентов; 2) неограниченные твердые растворы; 3) с ограниченной растворимостью компонентов; 4) с устойчивым химическим соединением.

10.Для изготовления деталей чистые металлы не применяются т.к. имеют низкую прочность, а сплавы обладают более выс.мех.св-ми. Сплавы состоят из 2 и более компонентов. Сплав состоящий из 2 компонентов называется двойным.

Сплавы можно получить многими способами, но на сегодняшний день широко используется металлургией, способ, когда компоненты расплавляют до жидкого состояния и затем подвергают кристаллизации. В зависимости от хим.состава соединение компонента их природного происхождения в результате кристаллизации могут образовывать механические смеси т.е. когда каждый компонент в процессе кристаллизации строит свою крист.решетку и не впускает ни один постор.атом.

2. твердые растворы –это когда кристаллические решетки одного компонента внедряются и размещаются в атомы второго компонента.

3. хим соединения –это когда обр.совершенно новая кристаллическая решетка сплав резко отличается по своим свойствам от своих компонентов, но обязательное условие должны соединяться между собой m молекула вещества А, с n молекулой вещества В.

Для характеристики изменения строения сплава в зависимости от t º и хим.состава строят диаграммы состояния. К диаграмме будут иметь разные фазы.

Фаза- это однородная часть системы отделенная от других фаз поверхностного раздела, при переходе через которую, хим. Состав или структура, изменяются скачкообразно. Двойные или бинарные сплавы образуются по одному из 4 типов отличающихся по степени растворимости компонентов друг в друге и фазовом составе.

1-тип.

T н.к – у всех сплавов различная

Т к.к.- у всех одинаковая.

Свинец, сурьма, цинк, олово и др.

2 –тип. –компоненты неогр. раств. др. в др.

ТВ.раствор→крист.реш А←атом В

ß – крист.реш В←атом в-ва А.

Медь, никель, железо-никель, железо- хром и др.

3тип.-комп-ты раств. др. в др. с ограничением со сниж.t.

DF и EN раствор уменьш.со сниж.t. и уже из образовавшихся крист.твердого раствора вытисняет атомы раств-го компонента, они группируются и образуют вторичнуюкристализацию.

Железо углерод, алюм, медь, и др.

4тип-

Образуются сплавы содержащие новые хим.соед. в чистом виде Аm Bn или в виде структурной сост.другого сплава. Особенность в том, что св-ва хим.соед. близко не похожи на св-ва своих компонентов. Поэтому типу получают новейшие материала для новейшей техники, полупроводниковых мат, сверхпроводниковых, сверхтвердых материалов и др.

13.Фазы деограммы железо-угл.сплавов.мости от химического состояния и t будут образовываться следующие фазы:

Аустенит- А это твердый раствор углерода в чаше железо максимально содержится 2,14 % при t 1147 С, раствор уменьшается до 0,83% при t 727С и распадается на перлит. Аустенит не магнитен имеет высокую пластичность и вязкость.

Феррит – это твердый раствор углерода в альфа железе максимально 0,02 % и уменьшается до 0,002% t 200 С , мягкий, низкой прочности, магнитный, решетка ОЦК.

Цементит – это хим.соединение Fe3C содержит 6,67 % углерода, очень высокой твердости, хрупкости, магнитный и метостабильный, распадается с выделением графита. Различают: а) первичный цементит он образуется при переходе сплава из жидкого состояния в твердое. Б) вторичный цементит образуется при распаде аустенита. В) третичный выделяется из феррита с уменьшением раствора.

Графит свободный углерод мягкий низкой прочности, электропроводный. В чугунах находится в различной форме: чешуйке, пластинке, хлопье, что будет влиять на свойство сплава.

При кристаллизации образуется две смеси фаз:

а) перлит(П)

феррит+цементит

образуется при распаде акстенита при t 727С и содержит углерод 0,83%. Может быть пластинчатый или зернистый, что также влияет на механические свойства сплавов, более прочный зернистый перрит.

Б) ледебурит (Л)

Л= Аустенит+ цементит 1

Образуется при t 1147 С и содержит углерод 4,3 %. Твердый, хрупкий. Ниже t 727 C , будет Л= П+ Ц 1