Основные признаки металлического состояния. Нормальные и переходные металлы.

Основные признаки металлического состояния. Нормальные и переходные металлы.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определ¨ нным набором свойств:

«металлический блеск» (хорошая отражат. способность);

пластичность;

высокая теплопроводность;

высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Основные типы кристаллических решеток металлов. Плотность упаковки, координационные число, число узлов на элементарную ячейку.

В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы. Простейшая решетка опис. одним параметром, это ребро куба а.

2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом. Параметры решетки длина ребра куба а.

3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены допол. по одному атому.

4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической хар. двумя параметрами а и с.

В случае, если отношение с/а=1, 666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной. Примеры: ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe_a; ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe_g; ГПУ – бериллий. Некоторые металлы индий, имеют тетрагональную решетку. Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для ОЦК– 0, 68, для ГЦК – 0, 74) Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

Реальные строения металлических кристаллов. Точечные и линейные дефекты в кристаллах и их влияние на свойства кристаллов.

Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные, объемные.

Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок.

В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом. Примесные атомы.

Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Винтовая дислокация–искажение происходит по винтовой плоскости.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов, с наличием эвтектики. Для одного из сплавов построить кривую охл. и описать превращения, происходящие при охлаждении.c

Проведем анализ диаграммы состояния.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2.Число фаз: f = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).

3. Основные линии диаграммы:

линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке; линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;

4. Типовые сплавы системы.

а) Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре, на рис 5.3 б показана кривая охлаждения компонента А.

б). Эвтектический сплав – сплав, соответствующий концентрации компонентов в точке с (сплав I). Кривая охлаждения этого сплава, аналогична кривым охлаждения чистых металлов (б)

Эвтектика – мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре.

При образовании сплавов механических смесей эвтектика состоит из кристаллов компонентов А и В: Эвт. (кр. А + кр. В)

Процесс кристаллизации эвтектического сплава: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов. На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т.е. процесс идет при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии трех фаз (жидкой и кристаллов компонентов А и В) число степеней свободы будет равно нулю . В точке 1^/ процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1^/ охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

12. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и с наличием эвтектики. Для одного из сплавов построить кривую охл. и описать превр., происходящие при охл..

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В)); 3. Основные линии диаграммы:

линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящ. в одн. точк;

линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

dm – линия предельной концентрации компонента В в комп. А;

fn – линия предельной концентрации компонента А в комп. В.

4. Типовые сплавы системы. При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неогр. раств., см кривую охлаждения сплава I на рис. 5.5 б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf).

Отжиг и нормализация стали.

Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры: улучш. обрабатываемость заготовок давлением и резанием; исправить структ. сварных швов и др.операций; подготовить структ. к последующей термической обработке. Характерно медленное охлаждение со скоростью 30…100^oС/ч. Отжиг первого рода. 1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Устраняет ликвации, выравнивает хим. состава сплава. Т нагрева зависит от Т плавления, Т_Н = 0, 8 Т_пл. t выдержки: ч.2. Рекристаллизационный отжиг снимает напряжений после холодной пластической деформации. Т нагрева связана с Т плавления: Т_Н = 0, 4 Т_пл. t зависит от габаритов изделия.3. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (когда требуется высокая точность размеров). Т и t нагрева зависит от габаритов изделия, в диапазоне: Т_Н = 160……700^oС. Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава. Т нагрева и t выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. V охлаждения должна быть такой, чтоб успели произойти обратные диффуз. фазовые превращения.

1. полный, с Т нагрева на 30…50 ^oС выше критической Т А₃

2. неполный, с Т нагрева на 30…50^oС выше критической Т А₁

3. циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига Ц остается пластинчатым.

4. изотермический отжиг – после нагрева до требуемой Т, изделие быстро охлаждают до Т на 50…100^oС ниже крит. Т А₁ и выдерж. до превращ. А в П, затем охл. на воздухе.

5. Нормализация. – разновид. отжига. ТО, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 ^oС выше А₃ или А_ст с послед. охл. на воздухе. Нормализации дает более тонкое строение эвтектоида (тонкий П или С), уменьш. внутр. напряжения, устраняются пороки, получ. в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.

Диффузионная металлизация.

Диффузионная металлизвция – ХТО, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др. При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием. Диффузионную металлизацию можно проводить в тв., жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200^oС) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200^oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

Подшипниковые материалы

— материалы, применяемые для изготовления подшипников скольжения и обладающие антифрикционными св-вами. Подшипниковые материалы подразделяются на металлич. и неметаллич. К металлическим подшипниковым материалам относятся баббиты, сплавы на основе меди (бронзы), цинка, алюминия, а также нек-рые чугуны; к неметаллич. подшипниковым материалам — нек-рые виды пластмасс, материалы на основе древесины, углеграфитовые материалы, резина. Ряд подшипниковых материалов представляет собой сочетание материалов различной природы — металлов и пластмасс, углеграфитовых материалов и металлов и т. п.

Баббиты на основе олова или свинца. Отличит, особенности всех баббитов: хорошая прирабатываемость, способность «поглощать» твердые частицы, отсутствие схватывания со сталью. К их недостаткам относятся низкие механич. св-ва при темп-рах 100° и выше, низкая теплопроводность, сравнительно малая усталостная прочность. Оловянистые баббиты более удобны в произ-ве, они легче заливаются по стали, меньше окисляются, не подвержены коррозии. При испытании на усталость переменным изгибом при равных напряжениях баббиты на основе олова и свинца (при одинаковой твердости) не отличаются по числу циклов до начала разрушения; при испытании же на усталость переменным изгибом при равных деформациях преимущество остается на стороне свинцовистых баббитов, вследствие значительно меньшей величины их модуля упругости. Баббиты применяются в подшипниках в виде слоя, залитого по корпусу вкладыша из бронзы, латуни, стали или чугуна. Наиболее прочное соединение заливаемого слоя баббита с корпусом вкладыша достигается спец. процессом заливки, включающим очистку поверхности корпуса и его облуживание. Тонкостенные вкладыши двигателя легкового автомобиля изготовляются штамповкой из биметаллич. ленты, получаемой непрерывной заливкой баббита по движущейся стальной калиброванной ленте. Усталостная прочность баббитового слоя повышается с уменьшением его толщины, у вкладышей нек-рых совр. автомобильных двигателей она составляет 0, 1 мм и меньше.

При правильной подготовке поверхности вкладыша и его заливке прочное соединение баббита и металла корпуса (бронза, сталь, чугун) происходит по всей поверхности вкладыша, что позволяет значительно уменьшать толщину слоя баббита. Способ механич. крепления баббита к вкладышу (путем устройства во вкладыше пазов и отверстий, заполняемых баббитом при заливке) пригоден лишь для малонапряженных подшипников.

1. Основные признаки метал. состояния. Норм. и перех.металлы.

2. Основные типы кристаллических решеток металлов. Плотность упаковки, координационные число, число узлов на элем. ячейку.

3. Различие понятий: кристал.я решетка и кристал. структура. Кристаллограф. индексы узлов, направлений, плоскостей.

4. Реальные строения метал. кристаллов. Точечные и линейные дефекты в кристаллах и их влияние на свойства кристаллов.

5. Основные механизмы пластической деформации. Наклеп. Изменение твердости, плотности, электросопротивления, коррозионной стойкости металлов и сплавов при наклепе.

6. Влияние нагрева на строение и свойства холоднодеф. металла. Возврат и рекристаллизация.

7. Строение сплавов. Механические смеси, хим.соединения.

8. Твердые растворы. Основные типы твердых растворов.

9. Метал. соед.. Электр. соед., фазы внедрения, фазы Лавеса.

10. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Правило рычага(правило отрезков).Для одного из сплавов построить кривую охлаждения и описать превращения, происходящие при охл..

11. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов, с наличием эвтектики. Для одного из сплавов построить кривую охлаждения и описать превращения, происходящие при охлаждении.

12. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и с наличием эвтектики. Для одного из сплавов построить кривую охлаждения и описать превращения, происходящие при охлаждении.

13. Связь между св-ми сплавов и типом диаграммы состояния.

14. Фазы и структурные составляющие диаграмме .

15. Рассмотреть превращение, происход. при охлаждении железо-угл. сплава с содерж. 0, 3% C.

16. При охлаждении железо-угл. сплава с содерж.1, 0% C.

17. При охлаждении железо-угл. сплава с содерж. 3, 0% C.

18. При охлаждении железо-угл. сплава с содерж. 5, 0% C.

19. Влияние C и постоянных примесей на свойства углерод. сталей.

20. Углеродистые стали обыкновенного качества. Качественные углеродистые стали. Маркировка, применения.

21. Серые, высокопрочные чугуны. Чугуны с вертикальным графитом. Маркировка, структура, свойства, применения.

22. Ковкие и антифрикционные чугуны. Чугуны с вертикальным графитом. Маркировка, структура, свойства, применения.

23. Обозначение критических точек стали. Основные виды термической обработки.

24. Образование аустенита. Диаграмма изометрического превращения перлита в аустенит. Крупно и мелко зернистые стали.

25. Распад А. Диаграмма изометрического и термического превращения переохлажденного А.

26. Мартенситные превращения в стали, его особенности. Кристаллогеометрия мартенситного превращения по схеме Бейна.

27. Превращения при отпуске стали.

28. Влияние термической обработки на свойство стали.

29. Закалка стали. Способы закалки.

30. Прокаливемость и закаливаемость стали.

31. Отжиг и нормализация стали.

32. Термомеханическая обработка стали.

33. Химико-термическая обработка. Связь диаграммы состояния со структурой диффузионного слоя (на примере диаграммы ).

34. Цементация стали. Термической обработка после цементации. Стали для цементации.

35. Азотирование. Стали для азотирования.

36. Нитроцементация стали. Термическая обработка после нитроцементации. Стали для нитроцементации.

37. Диффузионная металлизация.

38. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Распределение легирующих элементов в стали.

39. Влияние легирующих элементов на свойства феррита. Кортидная фаза в легированных сталях.

40. Влияние легирующих элементов на кинетику расплава переохлажденного аустенита, интервал мартен. превращения.

41. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита. Наследственно мелкозернистые стали. Влияние легирующих элементов на превращение при отпуске стали.

42. Классификация и маркировка легированных сталей.

43. Пружинные стали общего и специального назначения.

44. Подшипниковые стали общего и специального назначения.

45. Автоматные стали. Мартенситстар. стали.

46. Рельсовые стали. Износостойкая сталь Гатфильда.

47. Основные группы коррозионностойких сталей.

48. Жаростойкость. Основные группы жарост. сталей и сплавов.

49. Жаропрочность, характеристики жаропр.. Теплоуст. стали.

50. Аустенитные жаропр. стали. Жаропр. сплавы на осове никеля.

51. Углерод. и легир. не теплост. стали для режущего инструмента.

52. Теплостойкость. Быстрорежущие стали с особенности их ТО.

53. Металлокерамические твердые сплавы.

54. Штамповые стали для холодного деформирования металлов.

55. Штамповые стали для горячего деформирования металлов.

56. Алюминий. Примеси (железо, кремний) в алюминии и их влияние на свойства алюминия. Классификация алюминиевых сплавов (литейные, деформируемые).

57. Термическая обработка сплавов алюминий-медь. Деф. алюминиевые сплавы, упрочн. термической обраб. (дюралюмины).

58. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые ТО.

59. Алюминиевые сплавы для фасонного литья.

60. Медь. Влияние примесей (висмут, свинец) на свойства меди. Сплавы меди с цинком (латуни), их маркировка.

61. Сплавы меди с оловом и другими элементами (бронза). Маркировка бронз. Бериллиевая бронза.