шпоры по материалке

Билет №1

Роль металлических и не металлических материалов в развитии цивилизаций.

Материаловедение-это наука о материалах, и строении и св-вах уходит своими корнями в далекое прошлое. Во все времена использование природных и созданных челом материалов зависело от прочности, надежности и долговечности выполненных из них изделий. Примерно 90% всего что производят – это металл, все остальное стекло, керамика, композиционные материалы. Сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают 2 группы сплавов железа – стали и чугуны. Производство стали превышает производство алюминия – 2-го после железа металла по масштабам производства и применения – в несколько десятков раз.

20 тысяч лет тому назад начался бронзовый век. 4 тысячи лет тому назад начался железный век.

Пластмассы.

В-ва с большой молекулярной массой молекулы состоят из одинаковых групп атомов – звеньев.

Мономер – измененное составляющие звено. Число повторяющихся звеньев – степень полимеризации. Зависит от природы мономера и условий образования (температура, давление, катализатор).

Полимеризация – образование полимеров без выделения побочного продукта.

Если полимер состоит из разных мономеров – сополимеризация.

Поликонденсация - процесс образования полимера из мономеров с отщеплением побочного продукта (вода, метан). Протекает не за счет кратных связей, а за счет наличия не менее 2 функциональных групп атомов.

При получении полимеров молекулы мономеров объединяются в длинные линейные молекулы, атомы соединяются ковалентными связями. В зависимости от связей между молекулами полимеры делят на: термопластичные (способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении, св-ва не меняются). Термореактивные (остаются твердыми, вплоть до полного термического разложения).

У большинства полимеров главные цепи состоят из углерода. Сера - органические. Боковые группы образуют H, OH, CN – короткие полимерные цепи.

Структура определяется способ производства. Из структуры молекул и надмолекулярной структуры.

Полимеры с неограниченным чередованием групп – нерегулярные, для них хар-на что на больших участках молекулы параллельны. Для регулярных типичная структура кристалл.

Полимер состоит в 1 из 3 физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем.

Билет №2

История развития науки о металлах.

Материаловедение – наука о связи между составом, строением и св-ми материалов, закономерности изменения этих св-в при внешних физико-химических воздействиях. Как всякая наука м. представляет собой совокупность знаний полученных расчетным и экспериментальным путем, которые позволяют сделать обобщения и выводы , а также предвидеть пути развития науки.

Теоретической основой являются соответствующие разделы физики и химии, однако в основном это экспериментальная наука.

Д. К. Чернов – открыл критические точки в сталях, заложив тем самым научные основы термической обработки. Русские ученые П.П. Аносов и Д.И. Менделеев, англичанин Роберт Аустен, немец А. Мартенс.

ХХ век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике м.: были созданы высокопрочные материалы для инструментов и деталей, открыты сверхпроводники. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химикотермической обработкой. Огромное значение имели работы А.А. Бочвара, Г.В. Курдюиова, В.Д. Садовского, В.А. Каргина.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур – от -269º до 1000ºС Решение важных технических задач, связанных с экономным расходом материалов, уменьшение массы машин и приборов во многом зависит от развития м.

Резина.

Полимерный – материал, который получают специальной обработкой каучуковой смеси. Высокая сопротивляемость деформациям. Получают путем вулканизации: к каучуку добавляют серу и нагревает до 120ºС.

Билет №3

Технологические св-ва: литейные, обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость.

Литейные: хар-ся способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму и точно воспроизводить ее очертания. Уменьшение объема при затвердевании (усадка), склонность к образованию трещин и пор, склонность к поглощению газов в расплавленном состянии.

Ковкость: способность подвергаться обработке давлением без разрушения.

Свариваемость: обработка срезами – способность подвергаться обработке режущим инструментом.

Инструментальные стали.

Основные св-ва, которыми должна обладать сталь для режущих инструментов, - износостойкость и теплоемкость. Условия работы инструментов зависят от режима резания и св-в обрабатываемого материала. Чем больше скорость резания, сечение снимаемой стружки, а также прочность и вязкость обрабатываемого материала, тем выше температура нагрева режущей кромки инструмента. При этих условиях работоспособность инструментов определяется высокой «горячей» твердостью и способностью материала сохранять ее при длительном нагреве, т.е. теплоемкостью. От теплоемкости материала, т.о. зависит производительность резания. По теплоемкости применяемые материалы делят на следующие группы: углеродистые и низколегированные стали (до 200ºС), высоколегированные быстрорежущие стали (до 600º-640ºС), твердые сплавы (800º-1000ºС) и сверхтвердые материалы (до 1200ºС)

Билет №4

Аморфное и кристаллическое состояние.

В природе существуют 2 разновидности твердых тел, различающихся по своим св-ам,- кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большем интервале температур, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние тела более стабильно, чем аморфное.

Цементуемые стали.

Содержат 0.1-0.3% углерода, упрочнены за счет цементации (диффузионного насыщения поверхности углеродом). Стали : 10, 15,20. Сердцевина – серрито-перлитная, поверхность мертенситная. Высокая износостойкость 60HRC σ0.2=450 МПа. Малоответственные детали малых размеров.

Билет №5

Влияние типа связи на св-ва кристалла.

Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы в кристалле сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Расстояние, на которое сближаются частицы, определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле. Уравновешивание сил происходит при сближении частиц на определенное расстояние. Этому сближению соответствует минимум энергии связи частиц, что делает кристалл термодинамически стабильным. Эта энергия определяет температуру плавления, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения и др.

Все кристаллы по хар-ру превалирующей связи делят на молекулярные, ковалентные, металлические и ионные. Но такое разделение условно, т.к в некоторых случаях может действовать не один тип связи, а несколько.

Пружинные стали.

Содержат 0.5-0.7% углерода, высокоупругие деформации. Закалка, затем отпуск при температуре 350-450ºС. Стали 60, 65, 70, 75. Легирующих элементов нет, способны работать при температуре 100 ºС.

Билет №6

Металлическая связь.

Кристаллы с металлической связью при взаимодействии с элементами других групп атомы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы. При взаимодействии валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны.

Т.о. валентные электроны в металле нельзя считать потерянными или приобретенными атомами. Они обобществлены атомами в объеме всего кристалла.

Металлическая связь ненаправленная. Следствием этого является большая компактность кристаллических структур металлов.

Серди кристаллов распространено явление полиморфизма – способность в твердом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами, или модификациями.

Энергия металлической связи несколько меньше, чем ковалентной, поэтому металлы в большинстве случаев по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие температуры плавления, модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения.

Для большинства случаев с увеличением энергии связи растут температура плавления, модуль упругости, энергия самодиффузии, а коэффициент линейного расширения уменьшается.

Вследствие ненаправленности металлической связи и образования плотноупакованных структур металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные. Хорошая электропроводность обеспечивается наличием у них свободных подуровней в валентной энергетической зоне. Температурный коэффициент электрического сопротивления у металлических кристаллов имеет положительное значение, т.е. электрическое сопротивление растет при нагреве.

Износоустойчивые стали.

Для обеспечения износостойкости требуется получить заданную структуру – мартенсит на поверхности. Мартенситная структура с высокой твердостью. Химико-термическая обработка. Инструментальные стали с корбитом. Шарикоподшипниковые стали. Использование твердых смазок, имеют графитовые включения выполняющие роль твердой смазки. Упрочнение в процессе трения. Гатфильд.

Билет №7

Кристаллические формы и полиморфизм металлов.

Среди кристаллов распространено явление полиморфизма – способность в твердом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называются аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию называют α, а высокотемпературные β, γ,δ. Стабильность модификаций при определенных температуре, давлении определяется значением термодинамического потенциалаG=H-ST. Более стабильной при данной температуре будет модификация, имеющая меньшее значение термодинамического потенциала, что может быть достигнуто либо увеличением энтропии S, либо путем уменьшения энтальпии Н.

Коррозионно-стойкие стали.

Коррозия химическая - под действием активной окружающей среды. Электрохимическая – под действием влаги и электролитов.

Самый надежный способ защиты коррозии – использование коррозионностойких сталей. Элементы алюминий и сера охрупчивают, устойчивая сталь с хромом – 13% в воде, соли основании. Используются в пищевой промышленности.

Билет №8

Несовершенства кристаллического строения и их влияние на св-ва металлов.

Френкель предположил наличие дефектов, реальные кристаллические материалы всегда содержат дефекты.

Точечные – малы в 3-ех измерениях. Наиболее часто встречающиеся – вакансия (узлы кристаллической решетки, в которой отсутствует атом). Атом примесь замещения (решетка растянется). Атом внедрения (твердый раствор).

Линейные дефекты – имеют малые размеры в 2-ух измерениях и протяженный в 3-ем.

Дислокация – дефект, вызванный наличием лишней полуплоскости. Плотность

Дислокаций – суммарная длина дислокаций, приходящихся на единицу объема.

[ρ]=см-2

1 – идеальный кристалл

2 – бездефектный кристалл

3 – отожженные металлы

4 – металлы с увеличением плотности дислокаций после обработки

Поверхностные дефекты – большие угловые границы, мало угловые границы, дефекты упаковки, границы двойников. Границы между зернами представляют собой переходный слой толщиной от 1 до 5 нм. В результате зерна разориентированы между собой ан 10º (больше угловые границы). Каждое зерно состоит из субзерен или блоков. Границы между блоками представляют собой дислокационные стенки, угол разориентировки между ним не более 5º (мало угловые границы). Дефект упаковки – атомная плоскость ограничена дислокациям, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования слоев.

Жаростойкие стали.

До температуры 570º С существует Fe2О3 – гемотит, поэтому сплавы железа имеют жаропрочность без легирующих элементов. После 575º С – FeO оксид вычитания. Чем больше хрома (30% мах), тем выше жаростойкость.

Билет №9

Кристаллизация с позиции традиционной металлургии (термодинамические основы фазовых превращений).

Переход материала из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки-кристаллизация (первичная). Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом теле – вторичная кристаллизация. Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением в-ва иметь более устойчивое состояния, обусловленное уменьшением термодинамического потенциала.

То – термодинамическое равновесие (tºC плавления – кристаллизации).

ΔТ – степень нагрева или переохлаждения.

Термодинамический потенциал твердого в-ва меньше жидкого в-ва.

Жаропрочные стали.

Жаропрочность – способность сопротивляться нагрузкам при высокой температуре. Способы увеличения жаропрочности: укрупнение зерна. Введение элементов с высоким модулем Юнга Mo, W – обеспечивает высокую прочность. Обеспечение прочности дисперсных фаз гафний, V, Mb. Устойчивы карбид, V, Ti, ниобий. Нельзя приближаться к линии ликвидус.

Билет №10

Механизм кристаллизации. Факторы управления структурой(размером и формой зерен).

В жидком состоянии атомы в-ва, в следствии теплового движения, перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов не большого объема, в пределах которого расположены атомы во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы. При охлаждении жидкости некоторые из них становятся устойчивы к росту – центры кристаллизации. Образованию центров кристаллизации способствует флуктуация энергии (отклонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения). Появления центра кристаллизации – термодинамический потенциал системы изменяется на ΔG.

ΔG=-VGv+Sσ = -A3Gr+GA2σ

dΔG/dA=0 Aкр=4σ/ΔGo

С увеличением степени переохлаждения σ изменяется незначительно,

ΔGr быстро растет, следовательно, с увеличением степени

Переохлаждения критический размер зародыша уменьшается , следова-

Тельно , увеличивается кол-во центров кристаллизации.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением скоростей роста кристаллов и образование зародышей.

Дефекты слитка.

Слитки сплавов имеют неоднородный состав, Например, в стальных слитках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические св-ва. В реальных слитках помимо зональной встречаются и другие виды ликваций. Так, дендритная ликвация св-на сплавам с широким интервалом кристаллизации. Она хар-ся неодинаковым химическим составом по сечению зерна (дендрита). Центр зерна обогащен более тугоплавким элементом, к периферии его кол-во уменьшается. Гравитационная ликвация образуется в результате разницы в плотностях твердой и жидкой фаз, а также при кристаллизации не смешивающихся жидких фаз. Это, например, св-но антифрикционным сплавам олова с сурьмой и меди со свинцом. В зависимости от того, легче или тяжелее твердая фаза по сравнению с жидкой, она при кристаллизации соответственно всплывает на поверхность или опускается на дно отливки. Такое расслоение отливки по плотности недопустимо для антифрикционных сплавов. Для уменьшения гравитационной ликвации используют большие скорости охлаждения слитков. Применение космических технологий полностью устраняет этот вид дефектов, т.к. в условиях космоса гравитационные силы чрезвычайно малы.

Билет №11

Аморфные металлы.

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные металлические сплавы или металлические стекла. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним надо добавлять, так называемые, аморфизаторы. Тонкий слой аморфного металла получают при расплавлении поверхности изделий лазерным лучом, благодаря быстрому отводу теплоты при затвердевании массы основного металла. Также можно получить путем сверхбыстрого охлаждения их газовой среды, электролизом и катодным распылением. В структуре аморфных металлов отсутствует дальний порядок в размещении атомов, границы зерен, дислокации и другие дефекты. В зависимости от условий получения сохраняют геометрические и химические неоднородности ближнего порядка. Особенность – отсутствие наклепа при различных технологических операциях. Аморфные металлы на основе железа являются магнитно-мягкими материалами. При этом магнитные св-ва малочувствительны к механическим воздействиям. По сравнению с кристаллическими аналогами аморфные металлы сохраняют избыточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине они химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка.

Отжиг.

Вид термической обработки, в результате которой, сплав приобретает структуру близкую к равновесной. Снижется прочность, а пластичность растет. Охлаждение производится вместе с печью.

Билет №12

Упругая и пластичная деформация материала.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов материалов от положения равновесия; в основе пластических – необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластическом деформировании материала одновременно с изменением формы меняется ряд св-в, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.

Нормализация.

Вид термической обработки при которой сплав приобретает структуру близкую к равновесию. Уменьшается прочность, а пластичность увеличивается. Охлаждение производится на воздухе.

Билет №13

Механизм пластической деформации металлов.

Пластическая деформация в кристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое. Имеются 2 разновидности сдвига: скольжение и двойникование. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости. Двойникование представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. Скольжение развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние. В идеальном кристалле в скольжении должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством. Пластическая деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. При вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на 2 части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, а другая «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса – одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Т.к. в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.

Закалка с отпуском и старением.

Термическая обработка, в результате которой сплав приобретает неравномерную структуру (фазовое превращение, переменная растворимость, эвтектоидное превращение). Нагрев аустенитной области выше критических точек и охладить быстрее критической скорости. Отпуск, старение: в результате у предварительно закаленного сплава структуру переводя в более равновесное состояние, за счет фазовых превращений. Отпуск для сталей и сплавов, испытывающие при закалке полиморфные превращения.

Билет №14

Наклеп: изменение структуры и св-в.

Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образования микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности детали, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование деталей с помощью обдувки дробью или обработки спец инструментом. Наклепанный слой стремиться расшириться, встречая сопротивление со стороны наклепанных участков деталей. В результате в этом слое возникнуть напряжения сжатия, а под ним, на большом расстоянии на поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей. Наклепанные металлы легче коррелируют и склонны к коррозийному растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизотропию св-в. Несмторя на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латунь, сплавов алюминия и др.)

Мартенситное превращение.

Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояние не превышающие межатомное. Перестройка происходит по определенным кристаллографическим плоскостям.

Билет №15

Рекристаллизация: изменение структуры и св-в. Температура рекристаллизации.

Только для пластичных деформаций кристаллов. Нагрев холодных деформаций металлов

1. Возврат 0.3 от температуры плавление

2. Рекристаллизация.

Возврат – все изменения тонкой структуры и св-в, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры, т.е. размер и форма зерен не меняется.

Рекристаллизация – зарождение и рост новых зерен с меньшим кол-ом дефектов строения.

Возврат:

1)отдых

2)полигонизация

Отдых –стадия возврата при которой уменьшается кол-во точечных дефектов. Уменьшается кол-во дислокаций, уменьшается кол-во остаточных напряжений. Прочность уменьшается на 10-15% , а пластичность увеличивается на 10-15%. Сопротивление коррозийному растрескиванию увеличивается.

Полигонизация – стадия возврата, при которой в пределах каждого кристалла возникают новые мало угловые границы (путем скольжений и переползания) кристалли разбиваются на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций.

Рекристаллизация. При нагреве до высоких температур в металле происходит образование новых равноосных зерен.

Абсолютная температура рекристаллизация связана с температурой плавления .

Tp=a*Tпл формула Богвара. а – коэффициент зависящий от состава металла. а=0.2÷0.6

Любая пластическая деформация, которая происходит при температуре ниже температуры кристаллизации – холодная; выше – горячая.

Бейнитное превращение.

Бейнитное превращение появляются области с повышением содержания углерода и с понижением содержания углерода, где происходят γ-α превращения по мартенситному механизму. Где, низкое содержание - там образуется карбид (Fe3c), область вокруг обеднилась углеродом, мартенсит образуется пока весь уастенит не превратится в бейнит.

Билет №16

Холодная и горячая обработка давлением.

Перлитное превращение.

Билет №17

Виды термической обработки и ее технологические параметры.

Термическая обработка – технологическая операция, заключающиеся в нагреве и охлаждении, с целью изменения структуры и св-в.

Виды подразделяются на группы: собственно термическая, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка предусматривает только термическое воздействие на металл или сплав; термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия. Собственно термическая обработка включает в себя: отжиг I рода, отжиг II рода, закалку без полиморфного превращения, закалку с полиморфным превращением, отпуск и старение. Эти виды термической обработки и к сталям, и к цветным металлам, и к сплавам.

Превращение в стали при охлаждении.

Диффуозное – бейнитное, перлитное, мартенситное.

При охлаждении стали со скоростью больше критической скорости будет образовываться мартенсит, неравновесный, пресыщенный твердый раствор внедрения углерода в α железа.

Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояние не превышающие межатомное. Перестройка происходит по определенным кристаллографическим плоскостям.