Shpory_po_TKM

3.Кристаллизация металлов и механизм процесса кристаллизации.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры назыв. первич. кристаллизацией.

G-свобод. энерг. Гибса.

Gт-изм. свобод. энерг. в тверд. сост.

Gж-изм. свобод. энерг. в жидк. сост.

G-разница свободной энергии в жидком

состоянии

В точке А при температуре Ткр. равновероятно существование как жидкой так и твердой фазы.

С уменьшением температуре начинается процесс кристаллизации.

Механизм процесса кристаллизации.

Он предполагает наличие 2-х элементов процессов.

1)Зарождение центра кристаллизации новой фазы внутри старой.

2)Рост. центров кристаллизации.

Процесс возникновения и ростов кристалла идёт параллельно.

х- центры кристаллизации

Скорость кристаллизации определяется :

1)Числом центров кристаллизации (ЧЦК) возникших в единичном объеме

за единицу времени.(1/мл³*с) .

2)Скоростью ростов кристаллов (С.Р) т.е. приращение длины кристаллов в единицу времени (мм/с, мм/мин).

С.Р.>Ч.Ц.К.-структура кристалла крупнозернистая.

Ч.Ц.К. >С.Р. – мелкозернистая.

1.Применение металлов в технике . Классификация металлов.

Из 109 элементов период-ой системы

Менделеева-80 элементов металлы.

Металлы:

чорны цветные

-железные - лёгкие

-урановые -благородные

-тугоплавкие -легкоплавкие

tпл>tпл=1539с

-редкоземельные

-щелочнозёмельные

Важной характеристикой является отношение средней

Потенциальной энергии к средне кинетической энергии.

Еп/Ек<<1-газы Еп/Ек=1

Еп\Ек>>1-тверд.сост.

2.Атомно-кристалическая строение металлов.Типы кристаллических

решёток.

В зависимости от скорости охлаждение твердые тела могут

Находиться в атомарном или кристаллическом состоянии.

Рассматривается 14 типов элементарных ячеек пространственной

решётки Бравэ.

Для характеристики элементарной ячейки используют три ребра

Ячейки –а,в,с; три угла альфа,бетта,гамма (параметры)

У металлов встречается 3 типа кристаллических решёток.

1)Объемно-центрированная кубическая решотка(ОЦК) в которой

Атомы расположены по вершинам ячейки, а один в центре её.

----Fe,W,Mo,Na,Li

2)Гранецентрированная кубическая решётка ГЦК.

По вершинам элементарной ячейки и в центре каждой грани.

----Nt,Ag,Au,Al

3)Гексагональная плотноупакованная ГПУ это призма с шестигранником

В основании которого атомы расположены в 3 слоя.

Магнит Для ОЦК иГЦК

Кобальт а=0,286….0,607 нм

Цинк Для ГПУ

Бериллий а=0,298…0,398 нм

с=0,357…0,602 нм

Характеристика кри-ой решётки:

1. Координационное число

2. Базис

3. Коэффициент компактности упаковки

Определение: способность одного и того же материала, в том числе и металлов

образовывать в твердом состоянии ,в зав-ти от температуры и давления наз-ся

полиморфизмом или аллотропией.

Sna Snb

Fea Feb

Tia Tib

Кривая охлаждения чистого железа

4. Форма кристаллов и строение стального слитка. Влияние условий

охлаждения на структуру металла.

Изложница – форма в которую выливают сталь от 30 до тонн.

1- наружная корковая зона состоит из

Неориентированных кристаллов т.к. резкий перепад

температур

2- температурный градиент падает и перпендикулярно стенкам изложницы

растут столбчатые кристаллы.

3- центральная зона, напровление теплоотвода становится менее выраженным

И в ней растут равноостные кристаллы.

Усадочная раковина возникает из-за разности удельных объемов твердого и жидкого металлов.

8.Производство гнутых профилей

Прокатка: заключается в обжатии заготовки между 2 вращающимися в разные стороны валками.Силами трения заготовка втягив.м/у валками,а силы нормальные к поверхн валков уменьш попереч размеры заготовки.Сущ продольн,поперечн и поперечно-рядовая прокатка

Сортамент-совокупность форм ипрофилей получ прокаткой.Сортамент делится: 1) сортовой прокат2)листовой прокат 3)трубы 4)спец виды5)гнутые профили

11: легированные стали, маркировка, и область применения.

Легированные стали- это стали, в которых кроме обычных примесей и углерода содержатся специально вводимые в определенном сочетании легирующие элементы.

Низколегированные стали- это стали, которые содержат в сумме до 3% всех легирующих элементов.

Среднелегированные от 3 до 10%.

Высоколегированные от 10 до 50%.

Маркировка:

09Г2с или 10Г2СД, 10Г2АФ, 10ХСНД.

Первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях %.

Буквы- это легирующие элементы.

Г-марганец, С- кремний, Х- хром, Н- николь, Д- медь, Ф- фосфор, Т- титан и т.д.

Если после буквы цифры отсутсутвуют, то содержание легирующего элемента 1% и менее.

Если в конце обазначения стоит буква А, то сталь высококачественнная и содержание вредных примесей P и S не более 0.025%.

9:наклеп и рекристаллизация металлов и сплавов.

Наклеп- это упрочнение металла в процессе холодной пластической деформации. При этом повышется: предел прочности и предел текучети, твердости, и уменьшается пластичность.

Сплавы- это вещества полученные сплавлением металла с металлом или металла с неметаллом.

Компоненты- это вещества образующие систему металл, неметалл и хим. соединение.

При кристализации компоненты могут образовывать твердые растворы, хим. соединения и механические смеси.

1) Твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем т.р. однофазен он состоит из одного вида коисталов и имеет одну кристаллическую решетку.Т.р. образовывается двумя способами:

1) замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента.

2) Внедрением в твердый раствор( внедрения атома растворенного вещества в междоузлие кристаллической решетки).

2) Хим. соединение- это кристалличекое тело имеющее кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которое отличается от решеток элементов образующих это соединение.

3) механическая смесь- это двухфазная или многофазная структура, которая не способна к взаимному растворению в твердом состоянии и необразует хим. соединений.

Вопрос №10: инструментальные высокоуглеродистые стали, маркировка и область применения.

Прочность таких сталей достигается за счет термической обработки на зернистый перлит. При обработке таких сталей необходимо охлаждение .

Маркировка:У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13.

Буква "У" показывает, что сталь углеродистая, а цифры показывают содержание углерода в десятых доля%.В таких сталях содержание P и S не более 0.03%.

У7, У8, У9- применяются для производства слесарного, кузнечного и пресового оборудования.

У10, У11, У12- применяются для изготовления мерительного инстумента.

У10, У13- для хирургического инструмента.

У13- для гравировального инструмента.

12: углеродистые стали обыкновенного качества, маркировка, свойства, структура и область применения.

Это наиболее дешевые стали, имеют широкое применение в строительстве при прокатке конструкций( швелер, уголок).

Недостатки: необеспечивают требуемых свойств по хладостойкости.

Ст0

Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп

Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп

Ст3кп, Ст3пс15, Ст3сп6

Ст- это обревеатура стали, цифры показывают условный номер марки стали, с увеличением порядкового номера увеличивается содержание углерода.

Ст1= 0.07 0.12% С

Ст3= 0.14 0.22% С

Ст5= 0.28 0.57% С

кп- кипящая сталь

сп- спокойная сталь

пс- полу спокойная сталь

кп, сп, пс показывают степень раскисления.В качесве раскислителя вводят Mn, Si, Al от 0.05 до 1.8%.

сп и пс применяют для основных наружных кострукций, кп- для вспомагательных.

Последняя цифра в макеровке показывает категорию стали.

Пример: С235- Ст3кп2

С245- Ст3пс6

235 и 245 показывают предел текучести стали.

14.Сущность и схема процесса прокатки, продукция прокатного производства.

Прокатка заключается во сжатии заготовки между двумя вращ-ся в разные стороны салами трения заготовка втягивается между волками. а силы нормальны к поверхности волков уменьшают поперечные размеры заготовки.

При поперечной прокатки волки вращаются в одну сторону

-поперечная -продольная -поперечно-винтовая может выполнятся в холодном состоянии

4000-600 градусов. Горячим 1000-1200градусов.

-Профилем называется форма поперечного сечения проката, которая по длинне проката может быть или постоянной или переменной.

-Сортаментом называется совокупность форм и размеров профилей получаемых прокаток делится на. - сортовый прокат листовой - трубы

- специальные виды - гнутые профили.

1)Сортовой делится

профили простой геометрической формы ( изготавливают болты, кольца, гайки, рычаги.)

фасонные профили( изготавливают уголки, тавры, двутавры)

2)Листовой прокат

-тонколистовой - толстолистовой - фольга

до4мм 4-160мм 0.2мм

Применяется в автотранспортной промышленности (изготовление кровельного железа)

3)Трубы

-бестовые (диаметр30…650мм)

сварные(5..2500мм)

4)К специальным видам проката относятся колеса, шпунтовые сваи, металлические ободы.

13.Качественные углеродистые и арматурные стали, маркировка и область применения.

(0.5 0.8 40 45-85)-цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

05Кп 08Кп 10Кп-применяются для изготовления деталей сложной конфигурации методом холодной штамповки (консервные банки)

15,20,25,- применяют для изготовления труб малого диаметра, а так же для болтов, гаек и решетных конструкций.

18Кп 18Пс 18Сп 18Гсп-прокатка строительных конструкций.

30,35,40,45-(втулки, зубатые колеса, оси)

60,65,70,75-применяют для изготовления пружинных рессоров, высокопрочной проволоки.

Арматурные стали - применяются для изготовления

Армированных железобетонных конструкций (вид стержни, проволока). Группы - (А1-А7)

1)Ст 3сп, Ст 3 пс, гладкая

2)Ст 5 пс, 18Г2с

3)35Гс

4)80Сд

5)23х2Т 6)20х2 7)Г2ср

8)30хс2

В-1,Вр-1-гладкая В2,Вр2-периодичная

Диаметр 3…6мм

Арматура с диаметром 6…40мм.

15.Виды химико-термической обработки металлов, сущность процесса.

Химико-термической обработкой называют обработку , заключающуюся в сочетании термического и хим воздействия с целью изменения состава и, структуры и св-в поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит насыщение металлического материала соответствующим элементом (C,N,B,Al,Cr,Si,Ti и др) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:1)образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;2)адсорбция образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;3)диффузию-перемещение адсорбированных атомов внутри метала.

17.Режимы и назначение закалки, технология закалки. ЗАКАЛКА- применяется для ↑ прочности и износа стойкости изделия. Она заключается, в нагреве стали выше температурных фазовых превращений с последующим резким охлаждением, охладители: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное и машинное масло. Параметры: 1) τ нагрева ν нагрева 2) τ выдержки ν охлаждения 3) τ охлаждения.

рисунок

Нагрев и охлаждение железоуглеродистых сплавов вызывают у них фазовое превращение 4-ёх типов:

1) Диффузное превращение П→А при нагреве выше температуры фазовых превращений Ас₁. 2)Диффузное превращение А→П при охлаждение ниже линии Ас₁. 3) Бездиффузное превращение А→Мартенсит при быстром охлаждении ниже температуры мартенситного превращения Mn≈200⁰с. 4) М→П(Ф+К) смесь при его нагреве.

Мартенсит- перенасыщенный раствор углерода в α железе.

рисунок

Закалка: а) непрерывная закалка, в мягких охлаждённых средах для образования трещин и коробления.

доэвтектоидная- t_зак= Ас₃+(30⁰+50⁰)

заэвтектоидная- t_зак= Ас₁+(30⁰+50⁰)

у-8 t_зак= 723⁰+(30⁰+50⁰)

ст50 t_зак= 850⁰+(30⁰+50⁰)

б) ступенчатая закалка или прерывистая, применяется при закалке режищего и мерительного инструмента с целью снижения внутреннего напряжений. 1ступень- масло при температуре 180..250, 2ступень- охлаждение на воздухе

ν_охл= 200…1000⁰с/сек

18.Виды и технология отпуска стали. Отпуск- применяют для приведения изделия в зафиксированное равновесное состояние, нагрев стали ниже температуры фазовых превращений.

рисунок

Отпуск трёх видов: 1) Низкотемпературный (низкий) при 180-250⁰с, для снятия внутренних напряжений при сохранение высокой твёрдости и износостойкости, подвергаются режущие и мерительные инструменты. 2) Среднетемпературный (средний), при 350-450⁰с, служит для создания высоких пределов прочности и упругости, подвергаются рессоры и пружины. 3) Высокотемпературный (высокий), при 500-600⁰с, предназначен для наибольшей вязкости при достаточной прочности подвергаются детали механизмов, работающие при циклических нагрузках

19.Прессование и волочение, сущность, схема процесса, продукция. Прессование- заключается в выдавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы, при этом форма поперечного сечения выдавленной части заготовки пропорционально или равно отверстию матрицы. Прессование бывает: прямое и обратное.

рисунок

Продукция получаемая методом прессования: 1) прутки ø 5…250 мм 2) проволока ø 5…10 мм 3) трубы ø 20…400, δ_ст до 12 мм

Волочение- заключается в протягивании в холодном состоянии заготовки через сужающуюся полость (отверстие) матрицы, при этом площадь поперечного сечения заготовки ↓ и получаем форму поперечного сечения, отверстие матрицы.

Для получения профилей необходимо размеров, производят волочение за несколько проходов через ряд постепенно ↓ отверстий.

Изготавливают из стали и цветных металлов: 1) проволоку ø 0,001 до 10 мм 2) калиброванные прутки ø 3….150 мм 3) трубы ø до 400 мм

рисунок

20.Диаграмма изотермического превращения аустенита на примере стали У7. Изотермические- превращения, которые происходят при постоянных температурах, лежащих ниже температуры Ар₁ (ниже 723, аустенит не сохраняется при комнатной температуре). И при температуре ↓ 723 аустенит претерпевает изотермические превращения.

700 680 680 600

……….200⁰с

охлаждение

Кинетические кривые строятся с координатами.

Превращение аустенита: по вертикале- количество распавшегося аустенита в единицу времени

рисунок

а₁,а₂,а₃- начало аустенитного превращения. σ₁,σ₂,σ₃- конец (окончание) аустенитного превращения

Диаграмма: (координаты: температура и время)

n

c перентные

m превращения

рисунок

21.Влияние углерода и примесей на св-ва стали.

Влияние углерода.

После охлаждения сталь состоит из феррита(Ф, прочный, хрупкий) и цементита(Ц, низкая прочность и пластичность). Содержание углерода:1)С=0,8-1 % прочность возрастает, 2)С=1% предел прочности, текучести и ударная вязкость снижаются, это связано с образованием хрупкого цементита вокруг перлитных зерен.

Влияние кремния.

Положительная примесь. Кремний, растворяясь в феррите, резко упрочняет его, но одновременно снижает его пластичность. Кремний=0,3-0,8%

Влияние марганца.

Положительная примесь. Повышает прочность, но резко снижает красноломкость. Mn=0,2-0,4 %

Влияние серы.

Отрицательная примесь. Железо с серой образуют FeS, образуют легкоплавкий эвтектоид (Fe+FeS) при 980°С. Если нагреть до 1000°С, то образуются трещины в изделии.

Влияние фосфора.

Отрицательная примесь. Сильно искажает кристаллическую решетку, увеличивает предел прочности, но резко снижает пластичность.

Влияние 0_2, Н_2, N₂.

Вредные примеси. Приводят к образованию хрупких включений.

22.Превращения в твердом состоянии (понятие о полиморфизме). Анизотропия св-в кристаллов при прокатке металла.

Некоторые металлы(железо,титан,олово) способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки.Данное яв-ние получило название аллотропия или полиморфизм.Основной причиной аллотропии является стремление любого в-ва обладать минимальным запасом свободной энергии F, которая изменяется в зависимости от абсолютной температуры Т по формуле F=U-TS, где U-внутреняя энергия в-ва ,S-энтропия.Если у метала по достижении какой-то темпер изм типа крист решетки обеспеч уменьшение запаса свободной энергии, то такой металл претерпевает аллотропические изменения.Разные аллотропические формы металлов обозначают букваим греческого алфавита,при этом низкотемпературные модификации обозначаются , а последующие в порядке роста температуры.Анизотропия-неодинаковость св-в вдоль различных направлений.

23.Строение, структура, маркировка чугунов и их применение в строительстве.

Чугуны - железо-углеродистые сплавы с содержанием С=2,14-6,67 %

По содержанию С делятся на: Доэвтектоидные – С до 4,3 %

Эвтектодные - С=4,3 %

Заэвтектоидные – С более 4,3 %

Белый чугун – применяется для изготовления листовых прокатных станов, колёс, тормозные колодки, шары для шаровых мельниц.

Серый чугун: СЧ-10(фланцы, маховики), СЧ-15(станины станков), СЧ-25, где 10, 15, 25 – предел прочности при растяжении.

Высокопрочный чугун – применяется для оборудования прокатных станов, корпуса паровых турбин. Высокопрочный чугун: ВЧ- 45-5, где 5 – относительное удлинение.

Ковкий чугун – применяется в текстильной промышленности, в сельском хоз-ве, в судо- и вагоностроении. КЧ- 30-6

24.Методы определения твердости металлов, ударная вязкость.

Твердость-это св-во материалов оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора вего поверхность.Испытание на твердость-самый доступный и распротраненый вид мех испытаний.Наибольшее применение в технике получили стаические методы испытания на твердость при вдавливании индентора:метод Бринелля,метод Виккерса,метод Роквела.

Метод Бринелля: в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки P и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d.Число твердости по Бринеллю подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка.

Метод Виккерса: в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136’.После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число прочности подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидалного отпечатка М.

Метод Роквела:в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120’ или стальной шарик диаметром 1,588мм. За условную меру твердости принимается глубина отпечатка.

Для оценки склонности материала к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на на ударный излом образца и отнесенный к площади его поперечного сечения в месте надреза.