1.Общая характеристика металлов. Металлический тип межатомной связи. 1)Металлы- группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны при нагреве), высокая пластичность и металлический блеск. Ме представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. 2) Атом состоит из положительного ядра и отрицательных частиц — электронов. Внешние (валентные) электроны Ме в отличие от неМе слабо связаны с ядром. Поэтому атомы Ме легко теряют валентные электроны, превращаясь в ионы, в освободившиеся электроны образуют так называемый электронный газ. Ме-ая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными атомами, а в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла. Наличие ме-ой связи и легкоподвижных коллективизированных электронов объясняет характерные свойства металлов. 3) Атомно-кристаллическая структура- взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов, расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в 3 измерениях. Для описания а-к структуры используют понятие кристаллической решетки- воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы, образующие металл. Элементарная кристаллическая решетка- наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре Ме во всем V. 4) Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие св-ва каждого кристалла зависят от направления решетки. Такая неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях-анизотропия. Кристалл- тело анизотропное в отличии от аморфных тел. Технические Ме- поликристаллы (состоят из большого числа анизотропных кристаллитов), в этом случае анизотропии нет, т.к. расстояние между атомами по всем направлениям примерно одинаково. Аллотропией, или полиморфизмом- способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при различных температурах. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется полиморфным превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа а, бета , гамма у, начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

2. Несовершенства кристаллического строения металлов и их влияния на свойства. Дефекты кристаллического строения делятся по геом. признакам: а) точечные: оказывают влияние на физ. Св-ва (электропроводность,магнитные св-ва) и предопределяют процессы диффузии в Ме.- 1)«вакансии»- узлы решетки, в которых атомы отсутствуют. Образуются в результате перехода атома из узлов на поверхность или их полного испарения ( повышение температуры, пластическая деформация, бомбардировка Ме), 2) Межузельный атом- образуется в рез-те перехода атома из узла решетки в междоузлие. б) линейные, дислокации- лишняя полуплоскость верхней или нижней части кристалла; имеют большую l, маленькую h и ширину. Бывают краевые и винтовые (|| направлению сдвига, в) поверхностные- малы только в 1 измерении, представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками в поликристаллическом Ме. Каждое зерно Ме состоит из отдельных блоков, образующих субструктуру. Зерна Ме разориентированы относительно друг друг; блоки повернуты по отношению друг к другу.

3. Механизм кристаллизации металлов. Самопроизвольная кристаллизация. Кристаллизация- переход Ме из Ж в Т, сопровождается образованием кристаллической структуры имеющей дальний порядок. Протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Рост продолжается только в направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости, поэтому кристаллы сначала геометрически правильные получают неправильную внешнюю форму. Рост зародышей происходит в рез-те перехода атомов из переохлажденной Ж к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину. Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением Ме перейти в более устойчивое состояние за счет уменьшения свободной энергии. Температура, при которой F в Т и Ж равна- T_s- равновесная т-ра кристаллизации, поэтому для того, чтобы началась крис-ция T должна быть ниже T_s, а для плавления-выше. Выше T_s меньшей F обладает Ме в Ж состоянии, ниже-в Т.

4. Сплавы. Фазовый состав сплавов: твердые растворы, промежуточные фазы (хим. соединения). Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов, в промышленности применяются чаще чистых, т.к. выше мех. св-ва. Наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В сплавах хим. Элементы могут взаимодействовать между собой, образуя различные по хим. Составу, типу связи и по строению кристаллические фазы. Эти кристаллы, образующиеся в сплавах в зависимости от их строения делят на 2 вида: 1) Твердые растворы- кристаллы переменного состава, в которых атомы растворенного компонента В размещены в кристаллической решетке компонента растворителя А; либо замещают атомы в узлах решетки, либо внедряются между атомами в поры решетки. Поэтому твердые р-ры бывают 2 видов: замещения и внедрения. Замещения могут иметь различное кол-во замещенных атомов, т.е. переменную растворимость. Вокруг атома растворенного в-ва возникают искажения пространственной решетки, что приводит к изменению ее размеров и св-в. Возрастают электросопротивление, твердость, прочность, падает пластичность. Это делает сплав конструкционным материалом с требуемым комплексом св-в. Внедрения возникают при сплавлении переходных Ме с не Ме, имеющими маленький атомный радиус (N, C). Эти в-ва легко проникают в большие поры решеток ГЦК и ГПУ. Пример: Ф, А, карбиды. Тв. Р-ры наиболее близки по свойствам компоненту растворителю, т.к. сохраняют его решетку и являются основой сплавов, подвергаемых ОМД.2) Промежуточные фазы- кристаллы, образовавшиеся в рез-те хим. Реакции между компонентами сплава. Имеют свой тип кристаллической решетки. Пример: цементит. Отличие от твердых растворов- не пластичны. Характерные особенности хим. соединений: 1) крис. Решетка отличается от решеток компонентов, обр. соединение. Атомы расположены упорядоченно 2) в соединении всегда сохраняется простое кртаное соотношение компонентов. 3) свойства соединения резко отличаются от св-в образующих его компонентов. 4) Т плавления постоянная. 5) Образование хим. соединения сопровождается тепловым эффектом. В отличии от твердых р-ров обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении.

5. Свойства пластически деформированных металлов. Наклеп и рекристаллизация. При пластическом деформировании Ме одновременно с изменением формы меняется ряд св-в (при холодном- ↑ прочность). Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой. Пласт. дефор. осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывает касат.напр..2 вида: скольжение и двойникование. При возрастании касательных напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, остается пластичная часть деформации. Пластически деформированный Ме по сравнению с недеформированным находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. Поэтому даже при комнатных температурах в наклепанном металле протекают самопроизвольные процессы, приводящие металл в более устойчивое состояние. В результате пласт. деформирования Ме упрочняется; ↑ прочностные характеристики, электросопротивление и ↓ пластичность и ударная вязкость. С ↑ степени холодной деформации св-ва, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации- пластичность ↓. Это явление роста упрочнения- наклеп. Наклеп объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий). Ме с ГЦК упрочняются сильнее, чем с ОЦК. При нагреве наклепанного Ме не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного Ме – рекристаллизация обработки/ первичная рек-ция. Для начала первичной рекристаллизации необходимы: предварительная деформация наклепанного Ме должна быть больше критической; t нагрева должна превысить критическое значение. В рез-те рекристаллизации наклеп практически полностью снимается и св-ва приближаются к исходным значениям. При рекр-ции предел прочности и предел текучести резко ↓, а пластичность ↑. Разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций. Собирательная рекристаллизация- самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рек-ции. Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию неравномерного роста одних зерен по сравнению с другими. Мех-ие св-ва подобной разнозернистой структуры хуже, чем однородной структуры рекристаллизованного Ме.

6. Компоненты и фазы в системе железо-углерод. Чистое железо- Ме серебристо-белого цвета. t плавления Fe- 1539. Известны 2 полиморфные модификации: α существует при t ниже 910 и выше 1392 и γ. Кристаллическая решетка α-железа- ОЦ куб. Кристаллическая решетка γ-железа- ГЦ куб. Углерод – неметаллический элемент II периода 4 группы, полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита. Углерод растворим в Fe в Ж и Т состоянии, а также может быть в виде хим. соединения- Ц, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита. ФАЗЫ. В сис-ме Fe-C различают фазы: жидкий сплав, твердые растворы- Ф и А, а также Ц и графит. Феррит- твердый раствор углерода в α-железе. Атом углерода располагается в центре грани куба. Аустенит- твердый раствор углерода в γ-железе. Атом С располагается в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла. Цементит- хим. соединение железа с углеродом- карбид железа. В Ц. содержится 6,67% углерода. Ц. имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Характерные особенности Ц : высокая твердость и малая пластичность, является метастабильной фазой ( в усл. равновесия в сплавах с высоким содержанием С образует графит). Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Графит мягок и обладает низкой прочностью. В лекции: сис-ма- совокупность фаз, находящихся в равновесии. Фаза- однородная составная часть сис-мы, имеющая свой хим. состав, кристаллическое строение или агрегатное состояние, свои св-ва и отделённая от другой части сис-мы поверхностью раздела.

7. Диаграмма состояния системы железо-цементит. Превращения при нагревании и охлаждении. Диаграмма состояния сис-мы сплавов в графической форме показывает фазовый состав сплава любой концентрации в зависимости от t, строится для условий равновесия. Диаграмма состояния Fe-C показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого Fe до цементита. ABCD- ликвидус (при ее пересечении начинается кристаллизация). AHJEC- солидус (конец кристаллизации). Между L и S все сплавы в твердо-жидком состоянии. По линии HJB идет процесс полиморфизма (Ф→А). Аустенит может существовать не ниже t 727 и содержание C-0,8%. При 727 происходит эвтектоидное превращение А в феррито-цементитную смесь- перлит. Точка С показывает эвтектическое превращение жидкого сплава с содержанием С-4,3% в смесь кристаллов А и Ц, которая называется ледебурит (высокотемпературный и низкотемпературный). Относительно точки С делятся на 3 структурных класса: 1) 2,14-4,3% доэвтектические (их отжигают на ковкий чугун), 2) 4,3% эвтектические (только ледебурит) переплавляют в сталь, 3) >4,3% заэвтектические, не находят применение. Стали по структуре: 1) эвтектоидные С=0,8 для ударного инструмента, 2) доэвтектоидная С=0,05-0,8 конструкционная, 3) заэвтектоидная С>0,8% в структуре Ц, П. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус и солидус. Вторичная кристаллизация вызвана превращением Fe одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в А и Ф. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде Ц. В системе Fe-C происходят 3 изотермических превращения: перитектическое HJB 1499°, эвтектическое ECF 1147°, эвтектоидное PSK 727°. При охлаждении ледебурита до температур ниже SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20° ледебурит представляет собой смесь Ц и П.

8. Влияние углерода, постоянных примесей на свойства сталей. Влияние С: структура стали после медленного охлаждения состоит из Ф и Ц. Кол-во Ц возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы Ц повышают сопротивление деформации, уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с ↑ С возрастают твердость, пределы прочности и текучести, электросопротивление, ↓относительное удлинение, теплопроводность и ударная вязкость. Влияние кремния и марганца. В углеродистой стали кремния 0,35-0,4%, марганца 0,5-0,8%. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т.е. соединяясь с кислородом закиси железа в виде окислов переходят в шлак. Эти процессы улучшают св-ва стали. Кремний, дегазируя Ме повышает плотность слитка, а также повышает предел текучести. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности. Влияние серы: сера является вредной примесью в стали. С железом она образует соединение FeS, которое практически нерастворимо в нем в твердом состоянии. Сернистые включения сильно снижают мех. св-ва, особенно ударную вязкость и пластичность. Кроме того улучшают свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы ограничивается 0,035-0,06%. Влияние фосфора: Фосфор вредная примесь и содержание его допускается 0,025-0,045%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но ↓ пластичность и вязкость. Влияние N, O₂, H₂: Примеси внедрения (N, O₂,) повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неме-кие включения (окислы, нитриды) понижают предел выносливости и вязкости. Растворенный в стали водород охрупчивает сталь.

9. Углеродистые стали. Их структура, свойства, классификация, маркировка, применение.

В зависимости от назначения стали делят на: конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны); инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы). По структуре:- доэвтектоидные;- эвтектоидные;- заэвтектоидные. По содержанию углерода:- малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);- среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С); - высокоуглеродистые (> 0,6%С). По качеству: - обыкновенного качества ( <0,05%S; <0,04%Р); - качественные; высококачественные. Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора. Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали - качественными и высококачественными. По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют: спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки; кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп"; полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс". По качеству стали, классифицируют на: обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококач. – углеродистыми и легированными. Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится. Качественные конструкционные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава: меньше содержание серы – 0,04%, фосфора –0,035%; меньше количество неме-их включений; повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава. Поставляются стали по гарантированному хим. составу и механическим свойствам. Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 15, 20, …70, 75, 85,…08ю (Al), 10кп. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 65, 70, 75, 80 можно отнести к группе рессорно-пружинных сталей (характеризуются высоким пределом упругости). Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки.Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей. 05кп, 08, 08кп, 08ю – детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 – используют для деталей не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты. 20, 25 – крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, пальцы рессор, рамы и другие детали автотракторного с/х машиностроения. 30, 35 – слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни ,рычаги, звездочки, кольца, шатуны. 40, 45, 50 – средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски. 60, 65, 70, 75, 80, 85 – пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, ж/д рельсы, крановые колеса. Инструментальные качественные углероды. Маркируются углеродистые инструментальные стали: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Стали могут быть качественные и высококачественные. Обозначение высококачественных углеродистых инструментальных сталей: У7А, У8А, …, У13А. Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-2000С (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки) с HRC62-63 до HRC15-18 (НВ 170-180). Области применения инструментальных сталей: У7, У7А – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент. У8, У8А – фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент. У9, У9А, У10, У10А – сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки.