Что называется структурой материалов материаловедение кратко

Строение и свойства материалов. Типы структур.

Понятие о материаловедении как о науке.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путѐм. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развития материаловеден.

Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твѐрдость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учѐтом экономических требований.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские учѐные. П.П.Аносоввпервые установил связь между строением стали и еѐ свойствами. Д.К.Чернов, открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С.Курнаковаи его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именем С.С.Штейнберга, Н.А.Минкевича. Исследования механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских учѐных С.Т.Конобеевского, А.А.Байкова, Г.В.Курдюмова, В.Д.Садовского, А.А.Бочвара, С.Т.Кишкина, Н.В.Агееваи многих других.

Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова(1828 – 1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В.Лебедевавпервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука.

Среди зарубежных учѐных большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А.Ле-Шателье (Франция), Р.Аустен(Англия), Э.Бейн(США) и др.

Классификация строительных материалов по назначению.

По назначению строительные материалы подразделяются на группы:

· конструкционные: воспринимают и передают нагрузки

· теплоизоляционные материалы: обеспечивают требуемый тепловой режим в здании

· акустические: применяемые для звукоизоляции и звукопоглощения

· кровельные и гидроизоляционные материалы: используют при создании водонепроницаемых слоев на кровлях и др. элементах зданий

· герметизирующие материалы: применяют для заделке стыков сборных конструкций

· отделочные материалы: для совершенствования декоративного вида строительных конструкций, а также для обеспечения защиты конструкций от внешних природных воздействий

· материалы особого назначения: для особых сооружений (кислотоупорные, огнеупорные материалы)

· материалы общего назначения, применяемые для разных целей (бетон, цемент, древесина, известь)

Строение и свойства материалов. Типы структур.

В природе существуют две разновидности твѐрдых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.

Аморфные тела при нагреве размягчатся в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.

Кристаллические тела остаются твѐрдыми, т.е. сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве

элементарных частиц (ионов, атомов, молекул), из которых они составлены – геометрический фактор.

Свойства кристаллов зависят:

· От электронного строения атомов.

· Характера взаимодействия их в кристалле.

· От пространственного расположения элементарных частиц.

· Размера и формы кристаллов.

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия:

тонкая структура, микроструктура, макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле иэлектронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография, элетронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую

при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами рентгеновских лучей можно получить обширную информацию о строении кристаллов. Такую мелкокристаллическую структуру наблюдают с помощью электронного микроскопа.

Макроструктура. Макроанализ предусматривает изучения строения кристаллов невооружѐнным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы. Этот метод даѐт возможность выявить: характер излома, усадочные раковины, поры, размер и форму крупных кристаллов, трещины, химическую неоднородность (ликвацию).

Источник

СТРУКТУРА И ТЕКСТУРА. Основные понятия, термины, определения

В строительном материаловедении часто используют термин структура как совокупность и взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал, когда, например, характеризуют особенности строения керамического черепка или цементного камня.

Структура, согласно словарю (строение, расположение, порядок), представляет собой совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность (и тождественность самому себе).

Это определение относится к абстрактному однородному по своему составу телу и предполагает наличие какой-либо специфики. Например: кристаллическая структура, стеклообразная структура и т.д.

При изучении каменных материалов или горных пород как совокупности минералов, кристаллических и аморфных составляющих или стеклообразных систем установлен сложный характер структуры: стеклокристаллическая или аморфно-кристаллическая структура.

При рассмотрении искусственных материалов, используемых в строительных конструкциях, имеет место термин «плотная или пористая структура».

Когда рассматривают материал или изделие как сочетание элементов и имеют отличительной целью показать их форму, то часто говорят, например: волокнистая, зернистая, чешуйчатая и т.п. структура (строение). Однако, более точным в данном случае является термин «текстура».

Текстура является отличительной характеристикой внутреннего строения материала и его поверхности и чаще всего определяет декоративные свойства.

Текстура, в отличие от структуры, не имеет такой логической связи с составом, химическими связями и свойствами и является лишь дополнением к более широкому понятию структуры.

В строительном материаловедении при изучении влияния структуры на свойства материалов различают внутреннее строение вещества, микроструктуру и макроструктуру.

Источник

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮТЖЕТНОЕ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В. Дячук

Тюменского государственного университета

Андреев О.В., Вакулин А.А., Дячук К.В. Материаловедение: учебное пособие. Тюмень: Издательство ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013. 461 с.

В учебном пособии представлены данные по составу, структуре, свойствам, областям применения основных видов материалов: сталям, чугунам, цветным и редким металлам и сплавам, сплавам с особыми физическими свойствами, полимерам, керамике, стеклу, композиционным материалам, древесным материалам, строительным материалам и наноматериалам. Учебно-методическая информация, содержащаяся в пособии, позволяет студентам самостоятельно изучать курс материаловедения.

Учебное пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов. Может быть использовано как краткий справочник.

Учебное пособие рекомендовано к печати учебно-методической комиссией ИМЕНИТ ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», а также учебно-методической комиссией филиала ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. Сургуте.

В.М. Матюнин, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва.

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ.

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ.

© ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013

© О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В.Дячук, 2013

Теоретические материалы. 12

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 12

1.1. Материаловедение, основные понятия. 12

1.2. Количество материалов. 13

1.3. Классификация материалов по назначению. 14

1.4. Агрегатные состояния вещества. 16

1.5. Кристаллическая структура веществ. 17

1.6. Дефекты в кристаллической структуре веществ. 23

1.7. Уровни структуры материалов. 27

1.8. Физико-химический анализ. Диаграммы состояния. 28

1.9. Сплавы, твёрдые растворы. 35

1.10. Химические соединения. 38

1.11. Зёренная структура поликристаллических материалов. 40

1.12. Основные механические свойства материалов. 43

Вопросы для самопроверки. 51

2.1. Полиморфизм и свойства железа. 54

2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe₃C. 56

2.3. Сравнение основных свойств сталей и чугунов. 59

2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии. 61

2.5. Стали. Классификация сталей. 65

2.6. Термическая обработка и фазовые превращения в сталях. 67

2.7. Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении. 68

2.8. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение. 71

2.9. Основные виды термической обработки стали. 77

2.9.2. Нормализация. 79

2.9.4. Отпуск стали. 82

2.10. Углеродистые стали. 85

2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали. 88

2.12. Легирующие элементы. Легированные стали, их маркировка. 90

2.13. Жаропрочные и жаростойкие стали. 100

2.14. Коррозионно стойкие стали. 105

Вопросы для самопроверки. 108

Глава 3. Чугуны. 110

3.1. Чугуны, химические и фазовые составы. 110

3.2. Преимущества чугунов. 113

3.3. Виды чугунов доменного производства. 114

3.4. Классификация и маркировка чугунов. 114

3.5. Модифицирование чугунов. 116

3.6. Белый чугун. 120

3.7. Серый чугун. 121

3.8. Высокопрочный чугун. 123

3.9. Ковкий чугун. 125

3.10. Легированные чугуны. 126

3.11. Другие виды чугунов. 131

Вопросы для самопроверки. 134

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 136

4.1. Классификация цветных и редких металлов. 136

4.2. Лёгкие металлы. 138

4.3. Магний и его сплавы. 138

4.4. Применение магния и магниевых сплавов. 141

4.5. Алюминий и его сплавы. 142

4.6. Маркировка алюминиевых сплавов. 144

4.7. Классификация алюминиевых сплавов. 146

4.8. Области применения алюминиевых сплавов. 161

4.10. Области применения титана. 161

4.11. Медь и медные сплавы. 163

4.14. Марки и области применения бронз. 170

4.15. Сплавы меди мельхиор, нейзильбер, куниаль. 171

4.16. Свинец и цинк. 174

4.17. Никель и кобальт. 175

Вопросы для самопроверки. 179

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 180

5.1. Металлические проводниковые материалы. 180

5.2. Электромеханические свойства меди и алюминия. 182

5.3. Перспективы развития проводниковых материалов. 184

5.4. Полупроводниковые материалы. 186

5.5. Магнитные материалы. 189

5.6. Тугоплавкие металлы и сплавы. 190

5.7. Сверхпроводящие материалы. 193

5.8. Сплавы с эффектом памяти формы. 197

Вопросы для самопроверки. 198

Глава 6. Полимеры. 200

6.1. Общие сведения. 200

6.2. Классификация полимеров. 201

6.2.1. Классификация по происхождению. 202

6.2.2. Классификация по структурным признакам. 202

6.3. Общие свойства полимеров. 203

6.3.1. Физические свойства. 204

6.3.2. Механические свойства. 204

6.3.3. Теплофизические свойства. 205

6.3.4. Химические свойства. 205

6.3.5. Электрические свойства. 206

6.3.6. Технологические свойства. 207

6.3.7. Старение полимеров. 208

6.3.8. Радиационная стойкость полимеров. Абляция. 208

6.4. Пластические массы. 209

6.5. Виды пластических масс. 210

6.5.1. Полиэтилен. 210

6.5.2. Полипропилен. 212

6.5.3. Поливинилхлорид. 212

6.5.4. Полистирол. 213

6.5.5. Фторопласты. 214

6.5.7. Полиакрилаты. 217

6.5.8. Фенолформальдегидные смолы (ФФС). 217

6.5.9. Эпоксидные смолы. 219

6.5.10. Поликарбонатые полимеры. 220

6.6. Каучук, природный каучук. 223

6.7. Синтетические каучуки. 225

6.9. Синтетические эмали, лаки, компаунды. 230

6.10. Полимерные клеи. 231

6.11. Полимеры в медицине. 233

6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров. 234

Вопросы для самоконтроля. 240

Глава 7. Керамика. 242

7.1. Понятие керамики. 242

7.2. Керамика как альтернативный материал. 243

7.3. Состав керамики. 244

7.3.1. Глинистые породы. 244

7.3.2. Свойства глин. 246

7.3.3. Керамика на основе технических оксидов. 248

7.3.4. Керамика на основе бескислородного технического сырья. 249

7.4. Структура керамики. 250

7.5. Свойства керамики. 250

7.6. Керамика на основе глинистого сырья. 252

7.6.4.Огнеупорная керамика на основе глин. 255

7.7. Виды технической керамики. 256

7.7.1. Масштабы производства высокотехнологичной керамики. 256

7.7.2. Керамические, пьезокерамические материалы. 256

7.7.3. Керамические материалы с химическими функциями.. 257

7.7.4. Керамические материалы для ядерной энергетики. 257

7.7.5. Конструкционная керамика. 258

7.8. Характеристики некоторых керамик. 259

7.8.1. Высокоглиноземистая керамика. 259

7.8.2. Керамика из нитрида и карбида кремния. 260

7.8.3. Другие виды технической керамики. 261

Вопросы для самопроверки. 262

Глава 8. Стекло. 264

8.1. История стекла. 264

8.2. Отличительные особенности стекла как материала. 266

8.3. Структура веществ в стеклообразном состоянии. 267

8.3.1. Кристаллическое и стеклообразное состояния. 267

8.3.2. Кристаллохимическое описание строения стекол. 268

8.3.3. Кварцевое стекло. 269

8.3.4. Бинарные щелочно-силикатные стекла. 270

8.3.5. Фосфатные стекла. 271

8.3.6. Микронеоднородное строение стекол. 271

8.4. Классификация стекол по составу. 272

8.5. Свойства стекол. 273

8.6. Виды стёкол. 281

Вопросы для самопроверки. 293

Глава 9. Композиционные материалы. 295

9.1. Строение и признаки композиционных материалов. 295

9.2. Классификация. 297

9.3. Физико-химические основы создания композиционных материалов. 299

9.4. Области применения композиционных материалов. 300

9.5. Виды композиционных материалов. 301

9.5.1. Композиционные материалы с металлической матрицей. 301

9.5.2. Волокнистые композиционные материалы. 301

9.5.3. Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы. 302

9.5.4. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. 301

9.5.5. Углепласты. 305

9.5.6. Бороволокниты. 309

9.5.7. Органоволокниты. 310

9.6. Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами. 311

9.7. Основные методы получения композиционных материалов. 313

Вопросы для самопроверки. 314

Глава 10. Древесные материалы. 315

10.1. Древесина как материал. 315

10.2. Лиственные и хвойные породы. 316

10.3. Части дерева. 316

10.4. Макроскопическое строение дерева. 318

10.5. Химический состав древесины и её микроскопическое строение. 320

10.6. Физические свойства. 322

10.7. Механические свойства. 325

10.8. Пороки древесины. 328

10.9. Виды хвойных пород. 333

10.10. Виды лиственных пород. 335

10.11. Пиломатериалы и продукты переработки древесины. 339

10.12. Виды изделий из дерева. 341

10.13. Модифицированная древесина. 343

10.14. Термически обработанная древесина (термодревесина). 344

10.15. Области применения древесины. 346

Вопросы для самоконтроля. 351

Глава 11. Строительные материалы. 354

11.1. Виды строительных материалов. 354

11.2. Цемент, портландцемент. 356

11.3. Цементные растворы. 358

11.4. Бетон. Классификация бетонов. 359

11.5. Компоненты бетона. 361

11.6. Марка, класс и прочность бетона. 363

11.7. Лёгкие бетоны. 364

11.8. Тяжелые бетоны. 367

11.9. Кирпич строительный. 368

11.9.1. Размеры кирпича. 369

11.9.2. Пустотность кирпича. 369

11.9.3. Марка кирпича. 370

11.9.4. Морозостойкость кирпича. 371

11.9.5. Строительные кирпичи. 371

11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны. 374

Вопросы для самопроверки. 376

Глава 12. Наноматериалы. 378

12.1. Терминология наноразмерных объектов 379

12.2. Физические причины специфики наноматериалов 380

12.3. Классификация наноматериалов 383

12.4. Фуллерены, фуллериты 389

12.5.Углеродные нанотрубки. 391

12.7. Размерность процессоров. 400

12.8. Фториды редкоземельных элементов 404

Вопросы для самопроверки. 410

Тесты для самоконтроля. 414

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 414

Глава 3. Чугуны. 419

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 421

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 424

Глава 6. Полимерные материалы. 427

Глава 7. Керамика. 429

Глава 8. Стекло. 430

Глава 9. Композиционные материалы. 432

Глава 10. Древесные материалы. 433

Глава 11. Строительные материалы. 435

Глава 12. Наноструктурированные материалы. 436

Ключи к тестам для самоконтроля. 437

Задания для курсовой работы. 438

Вопросы для подготовки к экзамену. 441

Список источников информации. 459

Предисловие.

Дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» входит в учебные планы подготовки инженеров и нескольких естественнонаучных направлений бакалавриата. Изучение этой дисциплины направлено на систематизацию уже имеющихся у студентов знаний и приобретение ими новых знаний. Необходимость в написании данного учебного пособия возникла в связи с вводом в действие ФГОС ВПО третьего поколения и соответствующими изменениями в учебных планах, а также развитием дистанционных методов обучения. Его содержание опирается на ранее опубликованные нами учебные пособия: «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 1. Металловедение» [1], «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 2. Неметаллические материалы» [2], «Материаловедение» [3]. Одной из задач авторов было создание книги, полезной как студентам очной формы обучения, так и для студентов, обучающихся дистанционно (или заочно). Эта задача обусловила структуру пособия, состоящего из глав с однотипным построением. В разных вузах, с учетом отраслевой направленности и объема часов, выделенных на освоение дисциплины, может варьироваться количество глав, а также объем изучаемого материала. Особенностью данной книги является большое количество имеющегося в ней справочного материала, поэтому его можно использовать и как справочник. При этом для каждого из видов материалов представлены как общепринятые данные, так и современная информация о материалах.

Представляемое учебное пособие состоит из двенадцати глав. В первой главе рассматривается кристаллическая структура веществ, в последующих одиннадцати главах – материалы: стали, чугуны, цветные металлы, металлы и сплавы с особыми физическими свойствами, полимеры, керамика, стекло, композиционные материалы, древесина, строительные материалы, наноматериалы.

Книга написана на основе многолетнего опыта преподавания авторов на физическом, химическом и экономическом факультетах, а также в Институте математики, естественных наук и информационных технологий и Институте дистанционного обучения Тюменского государственного университета.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам:

В.М. Матюнину доктору технических наук, профессору кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва;

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ;

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ;

за внимательное прочтение рукописи и сделанные ценные замечания.

Мы также будем благодарны читателям за указание возможных неточностей и высказанные пожелания, которые просим направлять по электронной почте: Vakulin@sibtel.ru и andreev@utmn.ru.

Книга подготовлена к изданию при финансовой поддерки НИР 7-12 (3.3763.2011).

Теоретические материалы.

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.

Уровень материалов определяет уровень развития цивилизации

В материаловедение свойства материалов рассматриваются в последовательности «состав – структура – свойство».

Цель:

Сформировать представление о материаловедении как о науке, изучающей строение и свойства материалов.

Задачи:

— прочитать и понять определения данные в разделе;

— привести свои примеры различных видов материалов.

— представить, как устроена кристаллическая структура, и какие виды элементарных ячеек в ней выделяют;

— понять основные определения кристаллохимии;

— ознакомиться с основными видами элементарных ячеек металлов и понять, как им присваиваются краткие обозначения;

— уяснить в чём различия между точечными и линейными дефектами в реальной структуре веществ;

— узнать, как строится диаграмма состояния;

— выяснить, какими механическими свойствами характеризуются материалы и как данные свойства измеряются.

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 1656 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Лекция 1. Строение и свойства материалов

Материаловедение

Лекционный курс. Часть 1.

Лекция 1. Строение и свойства материалов. 4

1.1. Материаловедение как научная дисциплина. 4

1.2. Типы связей между атомами и молекулами. 4

1.3. Атомно-кристаллическая структура металлов. 6

1.4. Строение реальных кристаллических материалов. 8

Лекция 2. Основы теории кристаллизации. 9

2.2. Первичная кристаллизация. 10

2.3. Форма кристалла и строение слитка. 11

2.4. Вторичная кристаллизация. 12

Лекция 3. Изменение структуры и свойств металлов в процессе пластической деформации. 13

3.1. Виды деформаций. 13

3.2. Механизмы пластической деформации и деформационное упрочнение. 15

3.3. Процессы, происходящие в наклепанных металлах при нагреве. 17

Лекция 4. Основы теории сплавов. 18

4.1. Основные фазы в сплавах. 18

4.2. Диаграмма состояния. 21

Лекция 5. Диаграммы фазового равновесия. 22

5.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. 22

5.2. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью в твердом состоянии. 23

5.3. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. 24

5.4. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии. 25

5.5. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение. 26

5.6. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния (правило Курнакова Н.С.) 27

Лекция 6. Железо и его сплавы.. 28

6.1. Железо как конструкционный материал. 28

6.3. Классификация и маркировка углеродистых сталей. 31

6.4. Виды чугунов. 34

Лекция 7. Теория термической обработки. 38

7.1. Сущность термообработки. 38

7.2. Превращение перлита в аустенит при нагреве. 39

7.3. Превращения аустенита при охлаждении. 39

7.4. Превращения, протекающие при нагреве закаленной стали. 43

Лекция 8. Технология термической обработки. 44

8.1. Виды термической обработки. 44

8.4. Нормализация. 48

Лекция 9. Термомеханическая и химико-термическая обработка стали. 49

9.1. Термомеханическая обработка. 49

9.2. Химико-термическая обработка. 50

Лекция 10. Машиностроительные стали. 51

10.1. Виды машиностроительных сталей. 51

10.2. Стали, не упрочняемые термической обработкой. 51

10.3. Стали, упрочняемые в поверхностном слое. 52

10.4. Стали, упрочняемые по всему сечению.. 56

10.5. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием.. 58

Лекция 11. Инструментальные стали и сплавы.. 59

11.1. Требования к инструментальным сталям и сплавам.. 59

11.2. Углеродистые инструментальные стали. 59

11.3. Легированные стали для режущего инструмента. 60

11.4. Твердые сплавы.. 61

11.5. Нетеплостойкие штамповые стали. 62

11.6. Теплостойкие штамповые стали. 64

11.7. Стали для измерительного инструмента. 65

Лекция 1. Строение и свойства материалов

1.1. Материаловедение как научная дисциплина

Материаловедение – наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Целью освоения дисциплины студентами является изучение состава, строения, свойств материалов и способов их изменения в желательном направлении с помощью термической, химико-термической и других видов обработки.

В материаловедении используются многочисленные методы исследования материалов:

Лекция 2. Основы теории кристаллизации

Понятие фазы

Фаза – часть системы, ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. В гетерогенной системе имеется несколько фаз, в гомогенной – лишь одна.

Степень свободы – возможность изменения концентрации, температуры или давления без изменения числа фаз. Число степеней свободы системы

— правило Гиббса,

где — количество компонентов (простых веществ);

— число фаз;

— число внешних переменных (температура и давление).

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называют вторичной кристаллизацией.

Первичная кристаллизация

Первичная самопроизвольная кристаллизация связана со стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением свободной энергии Гиббса :

,

где — энтальпия (теплосодержание системы), Дж;

— энтропия (мера хаоса), Дж/К;

— температура, К.

Кристаллизация начинается только тогда, когда свободная энергия кристалла становится меньше свободной энергии жидкой фазы ( ). Температура , при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновесной температурой кристаллизации.

Процесс первичной кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры. Разность между равновесной температурой кристаллизации и реальной температурой кристаллизации носит название степени переохлаждения

.

Из кривых охлаждения чистого металла видно, что чем больше скорость охлаждения, тем большее переохлаждение может быть достигнуто. Горизонтальные участки на кривых охлаждения указывают на выделение скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс кристаллизации начинается с образования центров кристаллизации (зародышей) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Для каждой степени переохлаждения всегда имеется некоторый зародыш критического размера. Все зародыши большего размера будут центрами кристаллизации, а зародыши меньшего размера оказываются неустойчивыми и растворяются. Критический размер зародыша

,

Вторая стадия кристаллизации заключается в самопроизвольном росте зародившихся кристаллов.

Размер образующегося зерна пропорционален скорости роста зародышей и обратно пропорционален их числу. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает и размер зерна уменьшается.

Скорость охлаждения металла при литье, и, соответственно, размер зерна зависят от материала формы. Так, металлическая форма отводит теплоту в 40 раз интенсивнее, чем песчано – глинистая.

Вторичная кристаллизация

Вторичной кристаллизацией называется процесс, в результате которого происходит полная замена одной кристаллической структуры на другую (аллотропическое превращение) или частичное изменение структуры (выделение новой фазы из твердого раствора при изменении его концентрации).

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или в разных полиморфных модификациях. Наличие разного кристаллического строения одного и того же вещества при различных температурах называется полиморфизмом. Например, олово, имеющее при комнатной температуре тетрагональную решетку ( — фаза), при низких температурах меняет свою кристаллическую решетку на кубическую гранецентрированную ( — фаза). При этом удельный объем увеличивается на 25,6% и металл превращается в порошок («оловянная чума»).

Виды деформаций

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформации бывают упругими и пластическими.

При растяжении образца металла под воздействием силы на участке 1 он будет деформироваться упруго, а на участке 2 – пластически. Величина

,

где — площадь поперечного сечения образца, называется напряжением. Важными характеристиками металла являются предел текучести

,

который характеризует несущую способность металла, и предел прочности или временное сопротивление

,

превышение которого ведет к разрушению образца путем излома.

Изломы подразделяются на две большие группы: хрупкие и вязкие.

Под хрупким понимают излом без признаков макроскопических пластических деформаций. Поверхность разрушения при хрупком изломе блестящая (кристаллическая). Хрупкое разрушение происходит, как правило, мгновенно без видимых изменений состояния объекта и весьма опасно в техническом отношении.

Пластическому или вязкому излому предшествует макроскопическая пластическая деформация. Поверхность разрушения при вязком изломе не будет идеально гладкой, она рассеивает световые лучи и выглядит матовой (волокнистой). Скорость разрушения при вязком изломе невелика.

Ударная вязкость – работа, необходимая для хрупкого разрушения образца материала при ударном нагружении.

Относительное удлинение показывает, на сколько удлиняется образец по сравнению с первоначальной длиной, до момента разрыва. Аналогичный смысл имеет относительное сужение.

Различают внешние напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения, возникающие в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев называются тепловыми. Напряжения, возникающие в процессе кристаллизации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему детали называют фазовыми или структурными.

Различают следующие внутренние напряжения:

· напряжения 1 рода (макронапряжения) – уравновешиваются в объеме всего тела или отдельных его макрочастей;

· напряжения 2 рода – уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен);

· напряжения 3 рода обусловлены смещением атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки и приводят к статическому ее искажению.

Основные фазы в сплавах

Вещество, полученное сплавлением двух или более исходных простых веществ (компонентов), называется сплавом.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, в которой располагаются атомы других компонентов, изменяя ее размеры (периоды). Образование твердых растворов возможно, если атомные радиусы компонентов различаются не более чем на 15%.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При неограниченной растворимости кристаллическая решетка растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в его кристаллическую решетку ( , , , ).

Для образования неограниченных твердых растворов необходимо:

· однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

· близость атомных радиусов компонентов (они не должны отличаться больше чем на 8%);

· близость их физико-химических свойств.

Твердые растворы с ограниченной растворимостью ( и др.) образуются, если, в частности, атомные радиусы компонентов различаются на . В такой системе повышение концентрации растворенного вещества возможно лишь до определенного предела, при превышении которого твердый раствор распадается и образуется двухфазная смесь.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Такими атомами являются атомы элементов, находящихся в начале Периодической системы Д.И. Менделеева ( , , , ).

Характерными свойствами химических соединений являются:

· новый тип кристаллической решетки, отличный от кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

· постоянство состава, которое отражается формулой химического соединения ;

· постоянство температуры кристаллизации.

Соединения с нормальной валентностью образуют металлы с типичными неметаллами ( , , и др.). В сплавах они присутствуют в виде неметаллических включений.

Фазы внедрения – соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Фазы внедрения имеют формулы типа , , , . Фазы внедрения имеют переменный состав, а приведенные выше химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фаза внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения чаще образуются между одновалентными ( , , , , ) металлами или металлами переходных групп ( , , и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 ( , , , , и др.) с другой стороны. Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям, имеют кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих элементов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Механические смеси образуют металлы, значительно отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. В подобной системе металлы, образующие сплав, сохраняют кристаллическую решетку в пределах кристаллов исходных компонентов (сплавы , и др.).

Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов и расположены не хаотично, как в обычных твердых растворах, а упорядоченно. Образование таких систем (сверхструктур) сопровождается резким изменением свойств сплава – растет прочность, снижается пластичность.

Фазы Лавеса имеют формулу и образуются между компонентами и при отношении их атомных диаметров, равном . Фазы Лавеса могут иметь решетку ГЦК ( ) или ГПУ ( ).

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния – графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава.

При температурах выше линии ликвидус существует только жидкая фаза. При температурах ниже линии солидус является устойчивым твердый раствор.

Диаграммы состояния строят, как правило, экспериментально. Для этой цели в ходе экспериментов получают кривые охлаждения отдельных сплавов и их перегибы (критические точки) истолковывают как фазовые превращения, имеющие тепловой эффект. Возможен теоретический расчет диаграмм состояния на основе термодинамических данных.

Количественное соотношение фаз в период кристаллизации устанавливают по правилу отрезков. Количество жидкой и твердой фазы в сплаве при температуре и составе составит:

,

.

Виды чугунов

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой , называются белыми чугунами (по серебристо-белому цвету излома). Такие чугуны содержат ледебурит, отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому применяются лишь для ограниченной группы деталей, работающих на износ: прокатных валков, лемехов плугов, шаров мельниц.

По количеству углерода и по структуре белые чугуны делятся на доэвтектические ( ), эвтектические ( ) и заэвтектические ( ).

Можно вызвать распад ледебурита с выделением углерода в виде графита, что приведет к повышению механических характеристик. Чугуны, в составе которых имеется свободный графит, в зависимости от формы его включений делятся на серые, высокопрочные, ковкие и вермикулярные. Эти чугуны имеют металлическую основу, в которой распределены графитовые включения. В зависимости от строения металлической основы различают ферритные, феррито-перлитные и перлитные чугуны. Перлитные чугуны обладают большей прочностью по сравнению с ферритными.

Серым называют чугун, в котором включения свободного углерода имеют пластинчатую форму. Такие включения играют характер надрезов, что значительно снижает прочность металлической матрицы. Марка серого чугуна складывается из букв СЧ и числа, которое показывает предел прочности на разрыв в ( ).

Процессу графитизации способствует повышенное содержание в чугуне углерода, кремния, меди, никеля, а также замедленное охлаждение отливок.

Серый чугун находит применение в станкостроении (базовые корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, станины, направляющие), автостроении (блоки цилиндров, гильзы, поршневые кольца, распределительные валы).

Чугун с шаровидными включениями графита называется высокопрочным. Если перед разливкой в жидкий чугун вводят модификатор – магний ( по массе), то выделяющийся графит приобретает круглую форму. Механические свойства по сравнению с серым чугуном улучшаются: сильно повышается пластичность и заметно увеличивается прочность. Принцип маркировки высокопрочных чугунов ( ) почти аналогичен маркировке серых.

Высокопрочный чугун находит применение как заменитель углеродистой стали, в частности, для изготовления коленчатых валов массой от нескольких килограмм до взамен кованых стальных валов. Из этого чугуна также изготавливают изложницы, валки прокатных станов, детали турбин, станков: суппорты, резцедержатели и др.

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном.

Марки ковкого чугуна: ( — предел прочности на разрыв в , 6 – относительное удлинение в процентах), , и др.

Мелкие отливки преимущественно из ферритного ковкого чугуна используются в различных отраслях промышленности: в авто- и транспортостроении, сельхозмашиностроении (картеры редукторов, корпуса подшипников, звездочки приводных цепей и др.) и других областях.

Имеется четыре марки этого чугуна (принцип маркировки как у серого и высокопрочного чугуна): , , , . По механическим свойствам они соответствуют промежуточному положению между серым и высокопрочным. Отличаются хорошей теплопроводностью, поэтому стойки к теплосменам.

Этот чугун заменяет серый чугун в отливках, подверженных циклическим нагревам и частым теплосменам (блоки цилиндров, поршни, изложницы и кокили).

Все чугуны по сравнению со сталями обладают меньшей стоимостью и более высокими литейными свойствами, что позволяет изготавливать из них отливки корпусных и прочих массивных деталей. Для чугунов, в составе которых имеется свободный графит, играющий роль смазки, характерны высокие антифрикционные свойства и хорошая обрабатываемость резанием. Однако чугуны, по сравнению со сталями, обладают меньшей пластичностью и ударной вязкостью. Являясь относительно малопластичными сплавами, чугуны имеют значительно большую несущую способность по напряжениям сжатия, чем по напряжениям растяжения.

Сущность термообработки

Термическая обработка – это процессы теплового воздействия на металл с целью изменения его структуры и свойств.

При определении режимов термообработки углеродистых сталей большое значение имеют температуры некоторых фазовых превращений (критические точки), представленных на диаграмме состояния .

К обозначению критической точки при нагреве приписывают букву с ( ), при охлаждении – букву r ( ).

Любой технологический процесс термообработки стали состоит из определенных комбинаций следующих четырех превращений, протекающих при:

1) нагреве ( );

2) медленном охлаждении ( );

4) нагреве закаленной стали – отпуске ( ).

Изменение температуры в ходе термообработки изменяет устойчивость фаз, вызывая фазовые превращения. Помимо этого повышение (понижение) температуры повышает (понижает) скорость диффузионных процессов, которыми сопровождается образование или распад фаз.

Виды термической обработки

К основным видам термообработки стали относятся отжиг, закалка, отпуск и нормализация.

Отжиг

Отжиг – вид термической обработки, в ходе которой металл подвергается медленному нагреву, выдержке и медленному охлаждению (чтобы избежать возникновение новых термических напряжений). Сплав получает равновесную структуру, снимаются внутренние напряжения. Отжиг вызывает разупрочнение и повышение пластичности. По назначению выделяют несколько видов отжига.

Диффузионный отжиг (см. 5.1) проводится при температуре (на ниже температуры линии солидус).

Рекристаллизационный отжиг (см. 3.3) осуществляется при температуре .

Сфероидизирующий отжиг применяют в основном для инструментальных сталей.

Изотермический отжиг – вид отжига, при котором изделия после нагрева помещают в соляную ванну с температурой, обеспечивающей получение нужной структуры в соответствии с диаграммой изотермического распада аустенита (см. 7.3).

Закалка

Закалка заключается в нагреве стали до температур, обеспечивающих получение аустенитной структуры, которая при быстром охлаждении превращается в мартенсит. Доэвтектоидные стали нагревают под закалку до температур на выше точки (полная закалка), а эвтектоидные и заэвтектоидные – выше точки (неполная закалка).

На практике используют несколько закалочных сред.

Вода обеспечивает высокую скорость охлаждения ( ) и применяется для углеродистой и низколегированной сталей, имеющих высокую критическую скорость.

Водные растворы ( ) обладают наиболее высокой охлаждающей способностью, т.к. их использование исключает образование «паровой рубашки», которая снижает закалочную способность чистой воды. Резкое охлаждение в воде и ее растворах способно привести к образованию закалочных дефектов: трещин, коробления и т.д.

Масло как закалочная среда обеспечивает небольшую скорость охлаждения ( ) в мартенситном интервале температур, что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. Недостатками являются повышенная воспламеняемость и заметная стоимость. Масло применяется для закалки легированных сталей и мелких заготовок из легированной стали.

Воздух (скорость охлаждения ) является закалочной средой для высоколегированных сталей, имеющих низкую критическую скорость.

Существует несколько способов закалки. Наиболее простой – закалка в одном охладителе (1). Более сложные способы закалки используются (как правило, для легированных сталей) для предотвращения закалочных дефектов.

При закалке в двух средах (2) после нагрева изделие погружается в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду, обычно масло.

При ступенчатой закалке (3) нагретое изделие переносят в жидкую среду, имеющую температуру на выше точки для закаливаемой стали, выдерживают некоторое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка (4) применяется, если желательно получить структуру нижнего бейнита. В этом случае изделие переносят в ванну с расплавленными солями, имеющими температуру на выше точки начала мартенситного превращения, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждают на воздухе.

Для устранения остаточного аустенита (см. 7.3) высокоуглеродистые и многие легированные стали сразу же после закалки подвергают охлаждению в область отрицательных температур.

Способность той или иной марки стали принимать закалку характеризуют два свойства:

· закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки. Она положительно коррелирует с содержанием углерода. Эффект закаливания заметен при содержании и выше;

· прокаливаемость – способность стали получать слой с мартенситной или полумартенситной структурой ( мартенсита и тростита) на определенную глубину. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Легированные ( ) стали имеют меньшую критическую скорость и, соответственно, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Снижают прокаливаемость , наличие нерастворимых частиц (карбидов, оксидов), а также уменьшение зерна стали.

Для машиностроительных деталей, работающих на растяжение, а также пружин и рессор требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из мартенсита. Это обеспечивает однородную структуру и высокие свойства после отпуска. Для деталей машин, работающих на изгиб и кручение, прокаливаемость должна составлять половину сечения детали.

Нормализация

При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают на выше температуры точки , заэвтектоидную – на выше точки , и после выравнивания температуры по сечению детали охлаждают на воздухе. По режиму нормализация является промежуточной операцией между отжигом и закалкой. Цель нормализации – получение мелкозернистой однородной структуры; частичное снижение внутренних напряжений; улучшение штампуемости и обрабатываемости резанием; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидных сталей.

Отпуск

После низкого отпуска ( ) закаленная сталь сохраняет высокую твердость и износостойкость, а ударная вязкость повышается незначительно. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий инструмент из углеродистой и низколегированной стали, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или прочие виды поверхностного упрочнения.

Среднетемпературный отпуск ( ) обеспечивает высокий предел текучести и предел выносливости (см. 10.3). Его применяют для пружин, рессор и штампов. Охлаждение полезно проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости.

Высокотемпературному отпуску ( ) подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали ( ), к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и ударной вязкости, поэтому термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет повысить механические свойства стали по сравнению с полученными при обычной закалке и отпуске.

Источник