|
Реферат: Металлические материалы (Металлургия)
Министерство образования РФ
Пензенский Государственный Университет Архитектуры и Строительства
Реферат
Металлические материалы
Выполнил: ст. гр. АДА-21
Егурнов Н.Г.
Проверил: Козлов Ю.Д.
Пенза, 2003
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
КЛАССИФИКАЦИЯ. 4
Сталь углеродистая обыкновенного качества. 4
Сталь углеродистая качественная конструкционная. 6
Сталь легированная. 7
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 9
Структура. 11
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. 11
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 14
Химические свойства. 14
Физические свойства. 15
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. 19
Сталь. 19
Чугуны. 20
Цветные металлы и сплавы. 21
ЛИТЕРАТУРА 24
ВВЕДЕНИЕ
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в
производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше
время, когда большое их количество используют в машиностроительной
промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном
строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.[1, стр. 4]
Термин «металл» произошёл от греческого слова mйtallon (от metallйu? –
выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники
(в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что
добывалось в рудниках, Платон называл metallйia. В древности и в средние
века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь,
олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы
зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне
медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики
полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала
металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила
распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и
«начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag,
Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать
можно». В кон. 18 в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал,
что металлы – простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал
список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов
(Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По
мере развития методов химического исследования число известных металлов
возрастало. В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём
электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало
разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при
химическом анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были
открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов,
предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона.
Открытие радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных
радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом
ядерных превращений начиная с сер. 20 в. были искусственно получены
радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.
В конце 19 – начале 20 вв. получила физико-химическую основу
металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же
началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от
состава и строения [3, стр. 133].
Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими
металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921), впервые
установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.
П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы
получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил
микроскоп для исследования строения металлов.
Д. К. Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по праву считается
основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов. Его
научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической
обработки стали.
Открытые Д. К. Черновым критические точки в стали явились основой для
построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.
Классические труды «отца металлографии» Д. К. Чернова развивали
выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур
железоуглеродистых сплавов было сделано А. А. Ржешотарским(1898).
Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных
ученых Н. И. Беляева, Н. С. Курнакова, А. А. Байко-ва, С. С. Штейнберга, А.
А. Бочвара, Г. В. Курдюмова и др.
Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных
центрах с применением электронных микроскопов и другой современной
аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого
тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и
находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств.
Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами,
многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие
металлические, алмазные и керамико-металлические материалы. [1, стр. 58]
КЛАССИФИКАЦИЯ.
В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы.
Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%)
и незначительное – сплавы цветных металлов (рис. 1) [2, стр.288]
Рис. 1. Классификация металлов и сплавов.
Более подробно рассмотрим классификацию стали.
Сталь углеродистая обыкновенного качества.
Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях
оказывает содержание углерода (рис. 2). При увеличении содержания углерода
повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются
пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.
Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы –
красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание
фосфора 0,04...0,09 %, а серы 0.04..Д07 %. Вредное влияние на свойства
стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение
стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в
количестве 0,8...1 % не оказывают практически влияния на механические
свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных
конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %.
Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает
пластичность.
[pic]
Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства отожженных сталей.
При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым
сталь поставляется («А» – по механическим свойствам, «Б» – по химическому
составу, «B» – по механическим свойствам и дополнительным требованиям по
химическому составу); методу производства («М» – мартеновский, «Б» –
бессемеровский, «K» – кислородно-конвертерный); дополнительные индексы
(«сп» – спокойная сталь, «пс» – полуспокойная Сталь, «кп» – кипящая сталь).
В группе «А» индекс «М» часто опускается, но имеется в виду сталь
мартеновская, а при отсутствии индексов «сп», «пс», «кп» имеется в виду
сталь спокойная.
Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на
12...15 % дороже кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам
промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, но в результате и
незначительного расхода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.
Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины
проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без
термообработки. В таблице 1 приведены нормы на механические свойства стали
углеродистой обыкновенного качества (группа А).
Таблица 1.
Сталь углеродистая обыкновенного качества.
|Марки стали |Предел прочности |Предел теку, |Относительное |
|группы А |при растяжении, МПа|чести, МПа |удлинение, % |
|Ст0 |310 |– |20...30 |
|Ст1сп, пс |320...420 |– |31…34 |
|Ст2сп, пс |340...440 |200...230 |29...32 |
|Ст3сп, пс |380...490 |210...250 |23...26 |
|Ст3Гпс |380...500 |210...250 |23...26 |
|Ст4сп, пс |420...540 |240...270 |21...24 |
|Ст5Гпс |460...600 |260...290 |17...20 |
|Ст6сп, пс |Не менее 600 |300...320 |12…15 |
Примечание: В стали марок Ст3Гпс и Ст5Гпс повышенное содержание
марганца. [2, стр.318-320]
Сталь углеродистая качественная конструкционная.
Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и
электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая).
В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы:
I – с нормальным содержанием марганца и II – с повышенным содержанием
марганца. Марки стали и требования к механическим свойствам стали I группы
в состоянии нормализации приведены в таблице 2. В марке стали двузначные
цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в
соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном
состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).
Таблица 2.
Сталь углеродистая качественная по ГОСТ 2050-74
|Марки стали |Содержание |Предел |Предел |Относительн|
| |углерода, % |прочности |текучести, |ое |
| | |при |МПа |удлинение, |
| | |растяжении, | |% |
| | |МПа | | |
|08 кп, пс |0,05...0,11 |330 |200 |35 |
|10 кп, пс |0,07...0,14 |340 |210 |31 |
|15 кп, пс |0,12...0,19 |380 |230 |27 |
|20 кп, пс |0,17...0,24 |420 |250 |25 |
|25 – |0,22...0,30 |460 |280 |23 |
|30 – |0,27...0,35 |500 |300 |21 |
|35 – |0,32...0,40 |540 |320 |20 |
|40 – |0,37...0,45 |580 |340 |19 |
|45 – |0,42...0,50 |610 |360 |16 |
|50 – |0,47...0,55 |640 |380 |14 |
|60 – |0,57...0,65 |690 |410 |12 |
|70 – |0,67...0,75 |730 |430 |9 |
|80 – |0,77...0,85 |1100* |950* |6* |
* Механические свойства после закалки и отпуска.
Примечание: В таблице приведены только некоторые марки сталей.
Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для
изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших
размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей
содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,..., У13).
Высококачественные стали имеют низкое содержание серы (до 0,02 %) и фосфора
(до 0,03%), меньше неметаллических включений, обладают повышенными
механическими свойствами. В обозначениях марок высококачественных сталей в
отличие от качественных ставится буква А (например, У7А,У8Аит. д.). [2,
стр.320-321]
Сталь легированная.
При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr,
Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их
физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без
снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).
Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают
симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные
размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается
карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что
соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы
способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно
повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область
аустенита, снижая критические точки Ас3, а другие, наоборот, сужают эту
область. Большое значение на практике имеет способность большинства
легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную
толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает
возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом
уменьшаются внутренние напряжения и снижается опасность появления
закалочных трещин.
Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по
назначению, химическому составу и микроструктуре.
По назначению легированные стали разделяют на три класса:
конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали
с особыми физико-химическими свойствами.
Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X –
хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю –
алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К –
кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают
содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в
инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами,
показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание
элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце
марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки
35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.
По химическому составу легированные стали делят на три класса:
низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %;
среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более
10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9.
В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после
нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная,
аустенитная, феррит-ная и карбидная (ледебуритная). Большинство
конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного
класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов
(не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.
После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После
закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.
Основным преимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью
марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой
пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения
и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная
стойкость к атмосферной коррозии. [2, стр. 321-323]
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры
с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от
10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных
микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.
Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным
расположением атомов в узлах пространственной решетки.
[pic]
Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б –
гранецентрированный
Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг
от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа
эти расстояния 28,4 нм (?=Fe) и 36,3 нм (? = Fe). Большинство металлов
имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур.
Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в
комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и
сплавов определяет структуру металлов и их свойства.
Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на
наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой
электропроводностью.
Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух
видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в
ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с
центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые
цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.
Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии,
т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной
температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические
превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет
четыре аллотропические формы: ?-Fe; ?-Fe, ?-Fe, ?-Fe. Практическое значение
имеют ? -Fe и ? -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только
величиной межатомного расстояния, а для ?-Fe характерно отсутствие
магнитных свойств.
[pic]
Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа
Температура, при которой происходит переход металла из одного
аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих
температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис.
4) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения
происходят с выделением теплоты при нагревании.
Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры.
При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой
критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической
решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс
кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых
кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических
образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются
главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных
направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает
не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все
промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными
атомами.
В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают
неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами.
Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства
металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.
Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические
тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических
зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы
и сплавы можно считать условно изотропными телами.
Структура.
Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов
и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.
Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения
могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного
из компонентов или нового химического соединения и механические смеси.
Химические соединения, образующиеся на основании общих химических
законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими
индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость
металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у
каждого из элементов в отдельности.
Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента
рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может
замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без
образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах
Fe–С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических
соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и
концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой).
Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из
компонентов, который по этому признаку считается растворителем.
Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые,
тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из
чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики
образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой
температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими
механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого
раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной
концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах,
отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь
выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.
Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и
температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов.
Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень
медленного нагрева и охлаждения.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 5).
Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы,
являются следующие.
Феррит – твердый раствор углерода в ? -Fe. При температуре 723° С
предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не
корродирует.
Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67
% углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также
самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые
растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается
при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.
Аустенит – твердый раствор углерода в ? –Fe. Атомы углерода внедряются
в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в
зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой
температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах.
Твердость аустенита НВ 170...220.
[pic]
Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:
а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита;
III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI –
аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и
аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит,
цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные
отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при
распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %.
Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании
углерода. Твердость перлита НВ 160...260. Структура перлита может быть
пластинчатой и глобулярной (зернистой).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся
при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при
охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный
цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.
Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из
разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.
На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси
ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах
углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется
химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена
диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад
цементита Fe3С.
Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а
железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но
так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то
практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным
содержанием углерода.
Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем
температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.
Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К.
Чернов.
Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса),
линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только
чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной
температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно,
причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к
составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует
аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного
цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и
выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не
происходит.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы
получают следующие названия:
При содержании углерода 0,5 Тпл в пластической деформации начинают играть существенную
роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на
дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот
процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением:
металл течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть).
Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка
дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их
горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов
разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов
нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций
внутри зёрен (рекристаллизация).
Достижимые степени деформации металлов ограничены процессом
разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации
растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации
напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов
разрушения – трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений
имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей,
частицы др. фаз и т.п.). Но вследствие пластичности металла деформация
вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако
если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная
способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин
(хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах с объёмно-
центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается
при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения
числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращение
хладноломкости – одна из важнейших технических проблем разработки
конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема –
увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах.
Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в
результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения
высокотемпературной прочности – уменьшение диффузионной подвижности
точечных дефектов, в частности легированием.
Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются
поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и
могут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазные
границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они
могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение)
или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и
пространственное расположение отдельных структурных составляющих
многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих
вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а
также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно
получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для
практического использования металлических материалов. [3, стр. 133-136].
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
Сталь.
В строительстве сталь используют для изготовления конструкций,
армирования железобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей,
ограждений, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали
обеспечивает экономный расход стали и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих (расчетных) сварных и клепаных конструкций
рекомендуют следующие виды сталей: мартеновскую – марок ВМСтЗпс (сп, кп),
низколегированную – марок 15ГС, 14Г2, 10Г2С, 10Г2СД; природно-легированную
– марок 15ХСНД, 10ХСНД; кислородно-конвертерную – марок ВКСтЗсп (пс, кп).
Стали марок Ст4 и Ст5 рекомендуют для конструкций, не имеющих сварных
соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические
нагрузки.
Сталь для конструкций, работающих на динамические и вибрационные
нагрузки и предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур,
должна дополнительно проверяться на ударную вязкость при отрицательных
температурах.
К стали для мостовых конструкций предъявляют специальные требования
(ГОСТ 6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних
дефектов, прочностным и деформационным свойствам.
Для армирования железобетонных конструкций сталь применяют в виде
стержней, проволоки, сварных сеток, каркасов. Арматурная сталь может быть
горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная). По форме сталь
чаще всего бывает круглая, а для улучшения сцепления – периодического
профиля. В отдельных случаях для повышения механических свойств сталь
обрабатывают наклепом и применяют термическую обработку.
Стержневую арматуру в зависимости от механических свойств делят на
классы: A-I, A-II, A-III, A-IV и др. При обозначении класса термически
упрочненной арматурной стали добавляют индекс «т» (например, Ат-III),
упрочненную вытяжкой – «в» (например, А-Шв).
Арматурная проволока может быть холоднотянутой класса B-I
(низкоуглеродистой) для ненапрягаемой арматуры и класса В-II (углеродистой)
для напрягаемой арматуры. Для обычного армирования преимущественно
применяют арматурную сталь классов A-III (марок 25Г2С, 35ГС и др.), А-II
(марок Ст5) и обыкновенную арматурную проволоку, а при особом обосновании
также A-I (марки СтЗ) и А-IIв. Для предварительно напряженного армирования
используют высокопрочную проволоку, арматурные пряди и арматуру класса A-IV
(марок ЗОХГ2С, 20ХГСТ, 20ХГ2Ц и другие низколегированные стали), а также
упрочненную вытяжкой сталь класса А-IIIв (марок 35ГС, 25Г2С).
Сортамент прокатного металла и металлоизделий в строительстве
разнообразен: сортовая сталь, прокатная сталь листовая, уголки, швеллеры,
двутавры, трубы и другие служат основой для изготовления металлических
конструкций (балки, колонны, фермы и т.д.). На сортаменты имеются ГОСТы
наиболее рациональных типов профилей и частоты их градаций.
Сортовая сталь: круглая (диаметром 10...210 мм) применяется для
изготовления арматуры, скоб, болтов; квадратная (сторона квадрата 10...100
мм); полосовая (шириной 12...20 мм) – для изготовления связей, хомутов,
бугелей.
Сталь листовая включает листы толщиной от 4…160 мм, шириной 600...3800
мм; тонколистовая кровельная – черная и оцинкованная толщиной до 4 мм;
широкополочная толщиной 6...60 мм, шириной 200...1500 мм, длиной 5...12 м.
Уголковые профили (равнополочные и неравнополочные) выпускают площадью
сечения 1,0...140 см2.
Швеллеры характеризуются сечением швеллеров и определяются его
номером, который соответствует высоте стенки швеллера в сантиметрах.
Двутавры – основной балочный профиль – разнообразны по типам;
обозначаются номером, соответствующим их высоте в сантиметрах. Трубы
круглые имеют диаметр 8... …1620 мм. Трубы могут быть квадратного и
прямоугольного сечения.
В строительстве также широко применяют специальные профили и
металлические материалы: стальные канаты и проволоку, профилированные
настилы и т.д. [2, стр. 323-325]
Чугуны.
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 %.
углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь,
но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько
видов чугуна.
Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном
состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие
твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую
обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для
получения серого и ковкого чугуна и стали.
Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не
более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в
виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом
темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате
термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на
мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры
различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.
Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия
некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется
графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную
твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун,
применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении
не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.
Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на
сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи,
трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные
детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие
детали.
Ковкий чугун получают после длительного отжига % белого чугуна при
высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с
выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе.
Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны
являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят
обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами.
Их применяют для отливок ответственных деталей.
При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел
прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна –
предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.
При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28,
первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие
две – предел прочности при изгибе. [2, стр. 325-326]
Цветные металлы и сплавы.
Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих
в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой
теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.
Медь – металл красноватого цвета, отличающийся высокой
теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность
невысокая: ?в = 180...240 МПа при высокой пластичности ?>50%.
Латунь – сплав меди с цинком (10...40 %), хорошо поддается холодной
прокатке, штамповке, вытягиванию ?в=250...400 МПа, ?=35...15%. При
маркировке латуней (Л96, Л90, ..., Л62) цифры указывают на содержание меди
в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т.е. с другими
элементами (Мn, Sn.Pb.Al).
Бронза – сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и
другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны,
люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают:
Бр – бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, цифры 3, 12, 5 – содержание в
процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от состава:
?в=150...2Ю МПа, ?=4...8%, НВ60 (в среднем).
Алюминий – легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при
растяжении – ?в =80...100 МПа, твердостью – НВ20, малой плотностью – 2700
кг/м3, стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве
применяют редко (краски, газообразователи, фольга). Для повышения прочности
в него вводят легирующие добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) и используют
некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные,
применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины),
идущие для прокатки профилей, листов и т.п.
Силумины – сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими
литейными качествами, малой усадкой, прочностью ?в = 200 МПа, твердостью
НВ50...70 при достаточно высокой пластичности ?=5...10%. Механические
свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При
этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность
и пластичность силуминов.
Дюралюмины— сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием
(менее 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства
улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500...520°С с
последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4...5
сут при нагреве на 170СС в течение 4...5 ч.
Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с
выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем
мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел
прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400...480 МПа и
может быть повышен до 550...600 МПа в результате наклепа при обработке
давлением.
В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в
строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно
применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в
сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в
конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато
изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с
заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей
можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью
100...300 кг/м3. йг
Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более
трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов Аl2О3.
Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое
значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние
температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и
увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах);
повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного
расширения; пониженная свариваемость.
Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники
благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей
плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным
свойствам, повышенной теплостойкости. На основе титана создаются легкие и
прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при
повышенных температурах. [2, стр.326-328]
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология металлов и сварка. Под ред. П.И. Полухина. М. Высшая
школа. 1977.
2. Строительные материалы. А.Г. Домокеев. М. Высшая школа. 1989
3. Большая советская энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М. изд.
«Советская энциклопедия». 1974.
-----------------------
[pic]
Реферат на тему: Металловедение
Контрольная работа
По предмету: «Металловедение и термическая обработка металлов»
Содержание:
1)Контрольная работа №1 вариант-22
1.1.Существенные характеристики кристаллической структуры
1.2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения
происходят при строго определенных температурах?
1.3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль
играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала.
1.4. Характеристика твердых растворов замещения.
2) Контрольная работа №2 вариант-22
2.1.Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, спишите
превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до
16000 /с применением правила фаз / для сплава, содержащего 0,3%С.
2.2. Отжиг. Цель и назначение диффузионного, изотермического отжига.
2.3. Назовите режим термической обработки (температуру закалки,
охлаждающую среду и температуру отпуска) фрез из стали У12. Опишите
сущность проходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента
после термообработки.
2.4. Опишите в каких отраслях промышленности особенно
перспективно применение титана и сплава титана.
3) Список используемой литературы.
Контрольная работа №1
1.1. Существенные характеристики кристаллической структуры
Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях:
твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые
фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной
энергии
энтропии, плотности и других физических свойств. Четвертым агрегатным
состоянием часто называют плазму — сильно ионизированный газ (т. е. газ
заряженных частиц — ионов, электронов), образующийся при высоких
температурах (свыше 105 К). Однако это утверждение неточно, так как между
плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко
отличается от газа прежде всего сильным электрическим взаимодействием ионов
и электронов, проявляющимся на больших расстояниях
Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит главным
образом от температуры и давления, при которых оно находится
В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практически не
взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь
возможный объем. Таким образом, для газа характерно отсутствие собственного
объема и формы.
Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества.
В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном
состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более
сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела
имеют постоянный собственный объем. Для теплового движения атомов в
жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и
частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к
наличию в жидкости только так называемого ближнего порядка в расположении
атомов, т. е. некоторой закономерности в расположении соседних атомов на
расстояниях, сравнимых с межатомными. Для жидкости в отличие от твердого
тела характерно такое свойство, как текучесть.
Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела
характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые
колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному
чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко
удаленных атомов, т. е существования
так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое
правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле,
характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях образует
кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют
твердыми телами. Кроме того, существуют аморфные тела (стекло, воск и т.
д.). В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически
расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую
решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в
неустойчивом (так называемом метастабильном) состоянии и его следует
рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени
должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать
кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело.
Аморфное состояние образуется при быстром- (106 О С/с и более)
охлаждении расплава. Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого
состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие
специфическими физико-механическими свойствами.
Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве
закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго
определенные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку.
Кристаллическую решетку можно «построить», выбрав для этого определенный
«строи тельный блок» (аналогично постройке стены из кирпичей) и многократно
смещая этот блок по трем, непараллельным направлениям. Такая «строительная»
единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется
элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую
решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в
вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках (в узлах
кристаллической решетки). В первом случае элементарные ячейки называются
простыми (примитивными), во втором — сложными. Если форма элементарной
ячейки определена и известно расположение всех атомов внутри нее, то
имеется полное геометрическое описание кристалла, т. е. известна его атомно-
кристаллическая структура.
1.2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения
происходят при строго определенных температурах?
Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрегатных
состояниях: газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах при
определенных температурах происходит изменение агрегатного стояния твердое
состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние
переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода
зависят от давления но при постоянном давлении они вполне определенны.
При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая
решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.
Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других
температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго
определенных температурах?
В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно,
кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых
условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом
энергии.
Поясним примером. Тяжелый шарик из положения 1 (рис. 1) стремится
попасть в более устойчивое положение 2, так как потенциальная энергия в
положении 2 меньше, чем в положении 1.
Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных
тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой
термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (свободная
энергия F = U — ТS, где U — внутренняя энергия системы; Т— абсолютная
температура; S—энтропия). Можно сказать, что чем больше свободная энергия
системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то
система переходит в состояние, где свободная энергия меньше («подобно»
шарику, который скатывается из положения 1 в положение 2, если на пути нет
препятствия).
С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия
системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и
кристаллического состояний. Схематически характер изменения свободной
энергии жидкого и твердого состояний с температурой показан на рис. 2
Выше температуры Тs, меньшей свободной энергией обладает вещество в
жидком состоянии, ниже Тs — вещество в твердом состоянии. Следовательно,
выше Ts, вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Тs, — в
твердом, кристаллическом.
Очевидно, что при температуре, равной Ts, свободные энергии жидкого и
твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.
Эта температура Ts и есть равновесная или теоретическая температура
кристаллизации.
Однако при Ts не может происходить процесс кристаллизации (плавление),
так как при данной температуре Fж = Fкр и процесс
[pic]
[pic]
Рис. 2. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2)
состояния в зависимости от температуры
Рис. 27. Кривые охлаждения при кристаллизации
кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве обеих
фаз это не будет сопровождаться уменьшением свободной
энергии.
Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически
выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из
кривых, приведенных на рис. 2 видно, что это возможно только тогда, когда
жидкость будет охлаждена ниже точки Ts. Температура, при которой
практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической
температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации
называется переохлаждением.
Указанные причины обусловливают и то, что обратное превращение из
кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры
Ts; это явление называется перенагреванием.
Величиной или степенью переохлаждения называют разность между
теоретической и фактической температурами кристаллизации.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно
изобразить кривыми в координатах время — температура (рис. 3).
Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением
температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет
качественного изменения состояния.
При достижении температуры кристаллизации на кривой температура — время
появляется горизонтальная площадка (кривая 1, рис.3), так как отвод тепла
компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой
кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е. после полного перехода в
твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое
кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации
изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс |
кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры
переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации
Ts. При охлаждении ниже температуры Ts создаются энергетические условия,
необходимые для протекания процесса кристаллизации.
У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота
плавления выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что
температура скачкообразно повышается, приближается к теоретической (кривая
3, рис.3).
Чем больше скорость охлаждения, тем больше величина переохлаждения. Для
того, чтобы полностью переохладить металл в жидком состоянии требуются
большие скорости охлаждения (миллионы и даже миллиарды градусов в секунду),
охлаждение жидкого металла до комнатной температуры следует проводить так,
чтобы получить переохлажденный жидкий металл (т. е. металл, не имеющий
кристаллического строения) за ничтожную долю секунды. Такой, металл
называется аморфным или металлическим стеклом, который начинает применяться
на практике.
1.3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль
играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала.
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в
поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении
атомов т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности
«реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты)
кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения
в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные),
поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности
кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с
размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в
кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы,
находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы,
которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или
внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия)
аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения)
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные
размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может
достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации —
линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое
расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую
дислокации. Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной
плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг
одной части кристалла относительно другой.
В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации.
Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо
замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации,
т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2,
составляет 103—104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно
деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля
упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них.
Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию,
которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием
внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет
дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в
плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь
межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая
деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших
тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла
путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно
дислокации возникают при образовании кристалла из расgлава. Основным
механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так
называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на
концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при
этом дислокации,и вновь востанавливатся.
Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации
друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации
влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также
и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость
диффузии и т.д.).
Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше
дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг
возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. В
случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то
прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.
Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что
реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокации только
вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности
дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение
реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что
при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и
дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут
мешать друг другу перемещаться, и реальная
прочность металла повысится.
Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной
плотности дислокации; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков
мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы
легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие
всякого рода несовершенства и искажения, кристаллической решетки, также
являются методами создания - препятствий для свободного перемещения
дислокации (блокирования дислокаций).Сюда же относятся способы образования
структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное
твердение и др. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не
достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени
наличие дислокации в реальном металлическом кристалле | является причиной
более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно
придающей способность пластически деформироваться. Можно ли в связи с этим
рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его
недостаток?
Опыт показывает, что способность реального металла пластически
деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это
свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке
проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое
значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или
надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из
металла. Опыт показывает. что если металл находится в хрупком состоянии, т.
е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в
изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые
часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.
1.4. Характеристика твердых растворов замещения.
В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в
технике, представляет собой однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При
переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность
сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Твердая фаза,
образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым
раствором.
Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах
наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического
анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 3).
Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого
металла, только один тип решетки.
Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является
однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую
решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не
при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.
Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава
таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы
растворенного вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая:
1. твердые растворы замещения 2. Твердые растворы внедрения мы рассмотрим 1-
вый.
Твердые растворы замещения: Металл А имеет, например, решетку,
изображенную на рис. 4, а. Растворение компонента В в металле А происходит
путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла
(рис. 4, б).
[pic]
[pic]
Рис4
а — чистый металл; б — твердый раствор замещения;
При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного
компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.
При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из
элементов и этот элемент называется растворителем. Атомы растворенного
вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки
растворителя.
При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изме | |
