Реферат: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Кафедра «Конструкционные материалы и специальные технологии»

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Конспект лекций для специальностей 190701 Организация перевозок и управление на транспорте,190702 Организация и безопасность движения

Лекция № 1

Введение

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Знание свойств материалов позволяет наиболее успешно их использовать, поэтому это – конечная цель технического материаловедения. Свойства зависят от состава металла и его состояния. В свою очередь состав и состояние металла обуславливают его структуру.

Структура – порядок расположения атомов или молекул, а затем их группировка в более крупные скопления, называемые кристаллическими образованиями. Поэтому различают микро- и макроструктуру.

Типы кристаллических решеток у металлов

Металлы – кристаллические тела (положение атомов в пространстве упорядочено). Наименьшая часть кристаллической решетки называется элементарной ячейкой и представляет собой куб, шестигранную призму или другое геометрическое тело, в вершинах которого располагаются атомы металла. Многократно повторяясь, ячейки образуют кристаллическое зерно. Ориентировка ячеек в пределах одного зерна одинакова, а в соседних зернах различна. Размер зерен может быть от 1 мкм и более (до 10000 мкм).

Существует 7 разновидностей кристаллических решеток, но для металлов наиболее характерны следующие:

1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК).

Это наиболее простой тип. 8 атомов образуют куб, девятый атом находится в центре объема куба на пересечении диагоналей.

п.: Fe  , Cr, V, Mo, W.

В такой решетке атомы упакованы недостаточно плотно. Стремление атомов занять места наиболее близкие друг к другу приводит к образованию решеток других типов.

2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК).

8 атомов образуют куб, 6 атомов расположены в центре каждой из граней куба.

п .: Fe  , Al, Cu, Ni, Pb.

3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

12 атомов образуют шестигранную призму. 2 атома расположены в основаниях призмы, и еще 3 – внутри призмы.

п.: Mg, Zn, Cd (кадмий), Be (бериллий).

Прочность металла зависит от плотности упаковки кристаллической решетки и особенностей строения электронных оболочек атомов.

В свою очередь плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки и расстоянием между ними.

Всем монокристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств в различных направлениях, поскольку число атомов на разных направлениях различно.

п.: Если медный шар-монокристалл нагреть, то он превратится в эллипсоид (вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным направлениям).

Однако реальные металлы состоят из множества зерен, поэтому являются телами псевдоизотропными.

Опр . Полиморфизм (аллотропия) – способность некоторых металлов изменять кристаллическую решетку в зависимости от температуры и давления.

п.: железо при t 0 С имеет решетку ОЦК (Fe ), при 910 0 С

Дефекты кристаллических решеток: точечные, дислокации

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от идеальных вследствие наличия дефектов. Так, фактическая прочность металлов на 2–3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладает совершенно бездефектный металл.

Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их образование связано с диффузионным (тепловым) движением атомов и присутствием примесей, искажающих кристаллическую решетку. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы, кинетическая энергия которых значительно выше среднего, выходят в междоузлия (дислоцированные атомы). Образовавшееся в узле свободное место называется «дыркой» или вакансией. Точечные дефекты искажают решетку на 5–6 периодов. Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, до тех пор, пока не выходят на поверхность кристалла. Чем выше температура, тем больше дырок, и меньше времени вакансия находится в узле решетки. Число дислоцированных атомов не равно числу вакансий, так как они образуются независимо друг от друга.

Точечные дефекты образуются также примесными атомами, которые могут располагаться в узлах кристаллической решетки основного элемента (твердый раствор замещения) или в междоузлиях (твердый раствор внедрения). В любом случае чужеродные атомы вызывают искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты, которые имеют протяженность в одном измерении и малы в двух других, называют также дислокациями.

Опр . Дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Краевая дислокация – наиболее распространенный вид.

Все атомные плоскости полные, а полуплоскость АВ обрывается внутри решетки. Линию крайних атомов в этой полуплоскости АВ и принято называть дислокацией.

Если нагрузить силой P идеальную решетку без дефектов, то возникающие касательные напряжения  стремятся разорвать одновременно все межатомные связи в плоскости сдвига S – S, что требует большой силы.

При наличии в плоскости сдвига дислокации, достаточно разорвать всего одну межатомную связь (рис.) в результате чего дислокация начнет перемещаться, пока не выйдет на границу зерна в виде ступени. Это потребует небольшого напряжения (на несколько порядков ниже, чем для бездефектного металла). По мере выхода на границу зерна новых дислокаций ступенька растет, превращаясь в зародыш сдвига, а затем и микротрещины. Так происходит пластическая деформация металла и его разрушение.

Вывод: прочность металлов может быть повышена или устранением дислокаций в кристаллах, или повышением сопротивления их движению.

Вторая возможность реализуется введением специальных примесей, препятствующих движению дислокаций (очень мелкие, твердые частицы карбидов, нитридов, интерметаллидов – стопоры) а также термообработкой, холодной деформацией.

График зависимости прочности металла от плотности дислокаций:

А – прочность бездефектного металла (теоретическая прочность); В – прочность т. н. «чистых» металлов. На участке АВ по мере увеличения плотности дислокаций прочность снижается. На участке ВС по мере дальнейшего увеличения плотности дислокаций прочность постепенно растет. Перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что при большом их количестве они мешают перемещению друг друга.

Увеличения числа дефектов достигают введением легирующих примесей, термообработкой, холодной деформацией.

Поверхностные дефекты возникают вследствие неправильной формы границ отдельных кристаллов, различной ориентации осей в смежных кристаллах. Поэтому границы между зернами – это скопления дислокаций. Чем мельче зерна сплава, тем больше суммарная площадь границ, больше дислокаций и выше прочность сплава.

Лекция № 2

Первичная кристаллизация сплавов

Процесс образования кристаллов из жидкости принято называть первичной кристаллизацией.

Начало образования кристаллов при охлаждении жидкого металла легко заметить, наблюдая так называемые кривые охлаждения (изменение температуры сплава во времени при его охлаждении). Для их построения используется прибор пирометр термоэлектрический, в котором имеется термопара и милливольтметр. Спай термопары погружается в расплав. Температура будет пропорциональна величине термотока.

Температура T, при которой совершается превращение из жидкого состояния в твердое, называется критической точкой.

Подобную же критическую точку можно получить и при нагревании, когда металл будет плавиться. Это пример обратимого превращения, которое при одной и той же температуре может совершаться в ту или другую сторону, в зависимости от того, идет процесс нагрева или охлаждения.

Вопрос : почему при температурах больших T состояние сплава жидкое, при меньших – твердое, и превращение происходит именно при T?

Ответ : В природе все самопроизвольно протекающие превращения, в т. ч. плавления и кристаллизации, вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Любая система, будь то жидкость или твердое тело, характеризуется термодинамической функцией F – запасом свободной энергии, которая меняется с изменением температуры, но по разному для жидкого и твердого состояний.

При меньшем значении F система всегда более устойчива, и если есть возможность, стремится перейти в состояние, где F=min. Если при данной температуре F ж

При температуре T s (теоретическая температура кристаллизации) свободные энергии жидкого и твердого состояния равны: F ж = F тв. Однако, если охлаждать жидкость, то при T s еще не происходит процесс кристаллизации. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы жидкость была переохлаждена несколько ниже T s (достаточно очень незначительно), чтобы кристаллизация была термодинамически выгодной (F уменьшалась). То есть существует фактическая температура кристаллизации T пер. По аналогии также обратное превращение в жидкость происходит с перегревом твердого тела несколько выше T s .

Д. М. Дубинкин

Г. М. Дубов Л. В. Рыжикова

Кемерово 2010

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

šКузбасский государственный технический университетŸ

Д. М. Дубинкин

Г. М. Дубов Л. В. Рыжикова

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Кемерово 2010

УДК 620.22(075.8)

Рецензенты:

Начальник отдела системы менеджмента качества ГОУ ВПО šКемеровский технологический институт пищевой промышленностиŸ, доктор технических наук, профессор Л. М. Захарова

Заведующий кафедрой технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО šКемеровский государственный сельскохозяйственный институтŸ, кандидат технических наук, доцент А. П. Черныш

Дубинкин, Д. М. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / Д. М. Дубинкин, Г. М. Дубов, Л. В. Рыжикова; Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2010. – 206 с.

ISBN 978-5-89070-748-2

Учебное пособие подготовлено по дисциплине šТехнология конструкционных материаловŸ. Написано с учетом современного состояния машиностроительного производства. Даны общие понятия и определения по технологии машиностроения. Рассмотрены вопросы производства металлов и сплавов, методы изготовления заготовок и обработки их резанием. Приводятся методы получения неразъемных соединений, применяемые для изготовления металлических конструкций, заготовок и деталей машин. Рассмотрены основные способы физико-химической обработки, применяемые для изготовления изделий из труднообрабатываемых материалов.

Предназначено для студентов специальностей 151001, 151002, 190601, 150402, 140604, 150202, 130402, 130403, 130404, 130405, 280102, магистрантов направления 150900, 130400, а также для специалистов машиностроительных предприятий.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета.

Н АСТАВНИКУ И УЧИТЕЛЮ

З АВ. КАФЕДРОЙ’Т ЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ- (1975–1982)

Д ОЦЕНТУ

ЛЮДВИГУ ОТТОВИЧУ ГЕРИКЕ

ПОСВЯЩАЕТСЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решение технических проблем, возникающих в области машиностроения и связанных с ресурсосбережением материалов, уменьшением массы, надежностью и работоспособностью деталей машин и механизмов, во многом зависит от рационального выбора технологического процесса изготовления заготовок и изделий.

В данном учебном пособии рассмотрены вопросы курсов šТехнология конструкционных материаловŸ, šТехнологические процессы машиностроительного производстваŸ и раздела šТехнология конструкционных материаловŸ учебного курса šМатериаловедение и технология конструкционных материаловŸ для студентов технических специальностей. Цель этих курсов – получение знаний о современных методах получения конструкционных материалов и изготовления из них деталей машин с помощью литья, обработки давлением, сварки и обработки резанием, которые необходимы для формирования технического кругозора инженера, конструктора, технолога. К основным задачам курсов относится ознакомление с основами рационального выбора конструкционных материалов и изучение методов их получения и обработки. Это объясняется тем, что проблема рационального выбора технологии изготовления машиностроительных изделий – одна из основных в современном промышленном производстве. Без знаний в области технологии материалов решить ее невозможно.

Учебное пособие состоит из пяти глав. Первая глава посвящена металлургическому производству конструкционных материалов. Приведены исходные материалы для плавки и основные этапы получения металлов и сплавов. Во второй главе отражены методы изготовления заготовок в литейном производстве. В третьей главе рассмотрены методы обработки металлов давлением и формообразования машиностроительных профилей и заготовок деталей машин. В четвертой главе приведены методы получения неразъемных соединений. В пятой главе рассмотрены основные методы формообразования поверхности деталей машин и способы физико-химической обработки материалов, применяемые для получения изделий, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. Описаны дефекты, возникающие в процессе изготовления различных полуфабрикатов и готовых изделий.

Учебное пособие может оказаться полезным при написании контрольной и курсовой работы, при подготовке к экзамену, а также при выполнении дипломного проекта и успешной работы на производстве.

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Современное металлургическое производство

и его продукция

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств (рис. 1), базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах и т.д.

Рис. 1. Схема металлургического производства

Металлургическое производство включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование

и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция черной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь,

и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката;

– слитки, полученные непрерывной разливкой, для изготовления заготовок на машиностроительных заводах;

– кузнечные слитки для изготовления крупных кованых валов, дисков.

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

1.2. Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30¶60 % для железа, 3¶5 % для меди, 0,005¶0,02 % для молибдена). Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают путем удаления части пустой породы. При производстве чугуна руду вводят в виде агломерата и окатышей.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO 2 ,P 2 O 5 ), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO ,MgO ,FeO ).

Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) и генераторный газ.

Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 ¸С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80¶88 % углерода, 8¶12 % золы, 2¶5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25¶60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей

и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич). Взаимодействие основных огнеупорных материалов

и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

1.3. Производство чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк (Fe 3 O 4 ) с содержанием железа 55¶60 %, месторождения: Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

– красный железняк (Fe 2 O 3 ) с содержанием железа 55¶60 %, месторождения: Кривой Рог, КМА;

– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe 2 O 3 »3H 2 O иFe 2 O 3 »H 2 O ) c содержанием железа 37¶55 %, месторождение Керчь.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10¶82 %), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: MnO 2 ,Mn 2 O 3 ,Mn 3 O 4 ,MnCO 3 и др.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известнякCaCO 3 или доломитизированный известняк, содержащийCaCO 3 иMgCO 3 , так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC ,MgO ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная сепарация – измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

Специальность «материаловедение и технология материалов» является одной из важнейших дисциплин практически для всех студентов, изучающих машиностроение. Создание новых разработок, которые смогли бы конкурировать на международном рынке, невозможно представить и осуществить без доскональных знаний данного предмета.

Изучением ассортимента различного сырья и его свойств занимается курс материаловедения. Различные свойства используемых материалов предопределяют спектр их применения в технике. Внутреннее строение металла или композитного сплава напрямую влияет на качество продукции.

Основные свойства

Материаловедение и технология конструкционных материалов отмечают четыре наиболее важных характеристики любого металла или сплава. В первую очередь это физические и механические особенности, позволяющие прогнозировать эксплуатационные и технологические качества будущего изделия. Основным механическим свойством здесь является прочность — она напрямую влияет на неразрушаемость готовой продукции под воздействием рабочих нагрузок. Учение о разрушении и прочности есть одна из важнейших составных частей базового курса «материаловедение и технология материалов». Эта наука составляет для поиска нужных конструкционных сплавов и компонентов, предназначенных для изготовления деталей с нужными прочностными характеристиками. Технологические и эксплуатационные особенности позволяют спрогнозировать поведение готового изделия при рабочих и экстремальных нагрузках, высчитать пределы прочности, дать оценку долговечности всего механизма.

Основные материалы

В течение последних столетий основным материалом для создания машин и механизмов является металл. Поэтому дисциплина «материаловедение» уделяет большое внимание металловедению - науке о металлах и их сплавах. Большой вклад в её развитие сделали советские ученые: Аносов П. П., Курнаков Н. С., Чернов Д. К. и другие.

Цели материаловедения

Основы материаловедения обязательны для изучения будущими инженерами. Ведь основной целью включения этой дисциплин в учебный курс является обучение студентов технических специальностей делать правильный выбор материала для сконструированных изделий, чтобы продлить сроки их эксплуатации.

Достижение поставленной цели поможет будущим инженерам решить следующие задачи:

• Правильно оценивать технические свойства того или иного материала, анализируя условия изготовления изделия и срок его эксплуатации.
• Иметь правильно сформированные научные представления о реальных возможностях улучшения каких-либо свойств металла или сплава путем изменения его структуры.
• Знать обо всех способах упрочнения материалов, которые могут обеспечить долговечность и работоспособность инструментов и изделий.
• Иметь современные знания об основных группах используемых материалов, свойствах этих групп и об области применения.

Необходимые знания

Курс «материаловедение и технология конструкционных материалов» предназначен для тех студентов, которые уже понимают и могут объяснить значение таких характеристик, как напряжение, нагрузка, пластическая и агрегатное состояние вещества, атомо-кристаллическое строение металлов, типы химических связей, основные физические свойства металлов. В процессе изучения студенты проходят базовую подготовку, которая им пригодится для покорения профильных дисциплин. Более старшие курсы рассматривают различные производственные процессы и технологии, в которых весомую роль играет материаловедение и технология материалов.

Кем работать?

Знания конструктивных особенностей и технических характеристик металлов и сплавов пригодятся или конструктору, работающему в области эксплуатации современных машин и механизмов. Специалисты в области технологии новых материалов могут найти свое место работы в машиностроительной, автомобильной, авиационной, энергетической, космической сфере. В последнее время наблюдается дефицит специалистов с дипломом «материаловедение и технология материалов» в оборонной промышленности и в сфере разработки средств связи.

Развитие материаловедения

Как отдельная дисциплина, материаловедение являет собой пример типичной прикладной науки, объясняющей состав, строение и свойства различных металлов и их сплавов при разных условиях.

Умение добывать металл и изготавливать различные сплавы человек приобрел еще в период разложения первобытнообщинного строя. Но как отдельная наука материаловедение и технология материалов начали изучаться чуть более 200 лет назад. Начало 18 века - период открытий французского ученого-энциклопедиста Реомюра, который первый попытался изучить внутреннюю структуру металлов. Аналогичные исследования проводил английский фабрикант Григнон, в 1775 году написавший небольшое сообщение о выявленной им столбчатой структуре, которая образуется при отвердевании железа.

В Российской империи первые научные труды в области металловедения принадлежали М. В. Ломоносову, который в своем руководстве попытался кратко объяснить сущность различных металлургических процессов.

Большой рывок вперед металловедение сделало в начале 19 века, когда были разработаны новые методы исследования различных материалов. В 1831 году труды П. П. Аносова показали возможность исследовать металлы под микроскопом. После этого несколькими учеными из ряда стран были научно доказаны структурные превращения в металлах при их непрерывном охлаждении.

Через сто лет эра оптических микроскопов прекратила свое существование. Технология конструкционных материалов не могла делать новые открытия, пользуясь устаревшими методами. На смену оптике пришло электронное оборудование. Металловедение стало прибегать к электронным методам наблюдения, в частности, нейтронографии и электронографии. С помощью этих новых технологий возможно увеличение срезов металлов и сплавов до 1000 раз, а значит, оснований для научных выводов стало гораздо больше.

Теоретические сведения о строении материалов

В процессе изучения дисциплины студенты получают теоретические знания о внутренней структуре металлов и сплавов. По окончании курса слушателями должны быть получены следующие умения и навыки:

• о внутреннем ;
• об анизотропии и изотропии. Чем обусловлены эти свойства, и как на них можно воздействовать;
• о различных дефектах строения металлов и сплавов;
• о методах исследования внутренней структуры материала.

Практические занятия по дисциплине материаловедение

Кафедра материаловедения имеется в каждом техническом вузе. В период прохождения заданного курса студент изучает следующие методы и технологии:

• Основы металлургии - история и современные методы получения сплавов металлов. Производство стали и чугуна в современных доменных печах. Разливка стали и чугуна, методы повышения качества продукции металлургического производства. Классификация и маркировка стали, ее технические и физические характеристики. Выплавка цветных металлов и их сплавов, производство алюминия, меди, титана и других цветных металлов. Применяемое при этом оборудование.

Современное развитие материаловедения

В последнее время материаловедение получило мощный толчок развития. Потребность в новых материалах заставила ученых задуматься о получении чистых и сверхчистых металлов, ведутся работы по созданию различного сырья по изначально просчитанным характеристикам. Современная технология конструкционных материалов предлагает использование новых веществ взамен стандартных металлических. Больше внимания уделяется применению пластмасс, керамики, композиционных материалов, которые имеют параметры прочности, совместимые с металлическими изделиями, но лишены их недостатков.

Курс «Технология конструкционных материалов» посвящен изучению свойств конструкционных материалов, способов их производства, получения из них заготовок и деталей машин. Наибольшее внимание в курсе уделяется получению изделий из металлических сплавов. Рассматриваются также методы получения неметаллических конструкционных материалов и изделий из них.

О курсе

Курс посвящен изучению свойств конструкционных материалов, способов их производства, получения из них заготовок и деталей машин. Наибольшее внимание в курсе уделяется получению изделий из металлических сплавов. Рассматриваются также методы получения неметаллических конструкционных материалов и изделий из них.

Курс «Технология конструкционных материалов» направлен на формирование значимых для технической инженерной подготовки способностей и умений, связанных с выбором материалов, технологий изготовления, энергосбережения и применения экологически чистых машиностроительных технологий. Курс позволяет систематизировано и наглядно сформировать знания о конструкционных материалах и технологиях изготовления изделий из них; изучить механические свойства конструкционных материалов; изучить способы изготовления заготовок деталей машин; изучить способы изготовления деталей машин (прежде всего, обработка металлов резанием); изучить способы получения заготовок и деталей машин из пластмасс и резины; изучить технологию получения спечённых изделий (порошковая металлургия) и производство композиционных материалов, а также разработать технологию изготовления отливок в разовых песчано-глинистых формах или технологию получения поковки методом горячей объемной штамповки для простых деталей. Прилагается большой банк заданий для курсовых работ.

Курс развивает конструкторское и инженерное мышление, необходимое при последующем обучении и в профессиональной деятельности.

Формат

Еженедельные занятия будут включать просмотр презентаций, анимированных иллюстративных материалов, тематических видео-лекций. Для закрепления изученных материалов предлагаются вопросы для самостоятельной проверки, тестовые задания, виртуальные лабораторные работы и варианты курсовых работ по разделам «Литейное производство» и «Обработка металлов давлением». Предусмотрены промежуточные контрольные тестирования по каждому разделу курса и итоговое контрольное тестирование по всему содержанию курса.

Информационные ресурсы

Ярушин С.Г. Технологические процессы в машиностроении: Учебник для бакалавров. М.: Юрайт, 2011. – 564 с.
Технология обработки конструкционных материалов: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб., доп. М.: изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010. – 678 с.
Технология конструкционных материалов: Курс лекций: Учеб. пособие (с мультимедийным пособием на оптическом носителе). М.: изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010 – 227 с.

Требования

Для успешного освоения дисциплины достаточно элементарных сведений, полученных в школьных курсах химии, физики, математики.

Программа курса

Раздел 1. Введение: Основные понятия. Классификация и свойства конструкционных материалов. Значение конструкционных материалов в машиностроении.

Раздел 2. Основы металлургического производства: Производство чугуна. Производство стали. Производство цветных металлов: меди, алюминия, титана.

Раздел 3. Обработка металлов давление: Физические основы ОМД. Прокатка. Прессование. Волочение. Ковка. Объемная штамповка. Листовая штамповка

Раздел 4. Литейное производство: Значение литейного производства в машиностроении. Виды литейных форм. Классификация литейных сплавов, их механические и литейные свойства. Технология изготовления отливок в песчано-глинистых формах

Раздел 5. Сварка: Сущность процесса образования сварного соединения. Классификация способов сварки. Классификация сварных швов. Классификация сварных соединений

Раздел 6. Обработка металлов резанием: Общая характеристика процесса. Токарная обработка. Фрезерование. Обработка на сверлильных станках. Шлифование.

Раздел 7. Полимерные материалы и композиты: Общие сведения о полимерах и их свойствах. Конструкционные пластические массы, их свойства, назначение основных компонентов. Способы получения изделий из полимерных материалов. Композиционные материалы на полимерной и металлической матрицах. Композиционные материалы на неорганической матрице: инфракерметы, и ультракерметы. Виды, свойства и применение керамических композиционных материалов

Раздел 8. Перспективы развития производства конструкционных материалов.

Результаты обучения

В результате освоения курса «Технология конструкционных материалов» обучающийся будет способен:

• оперировать технической терминологией учебной дисциплины при решении профессиональных задач;
• составить маршрутную технологию изготовления изделия;
• разрабатывать технологию изготовления отливок в разовых песчано-глинистых формах или технологию получения поковки методом горячей объемной штамповки для простых деталей;
• производить необходимые расчёты по технологии изготовления изделия.

Формируемые компетенции

• способность обеспечивать технологичность изделий и процессов их изготовления, умение контролировать соблюдение технологической дисциплины при изготовлении изделий (ПК-1);
• способность выбирать основные и вспомогательные материалы для изготовления изделий, способы реализации основных технологических процессов, аналитические и численные методы при разработке их математических моделей (ПК-2)
• способность участвовать в работах по доводке и освоению технологических процессов в ходе подготовки производства новой продукции, проверять качество монтажа и наладки при испытаниях и сдаче в эксплуатацию новых образцов изделий, узлов и деталей выпускаемой продукции (ПК-3);

1.1. Введение

Основной целью дисциплины «Технология конструкционных материалов» является подготовка студентов к проектированию технологичных конструкций машин. Для достижения поставленной цели на основе изучения физико-механических основ технологических методов получения и их обработки обучающийся должен уметь:

выбирать рациональные технологические методы формообразования заготовок и их механической обработки;

разрабатывать чертежи технологичных заготовок с учетом выбранных процессов их изготовления и механической обработки;

вносить изменения в конструкции деталей, обеспечивающие повышение их.

Для изучения курса ТКМ необходимы знания и умения, полученные студентами при изучении дисциплин «Химия», «Сопротивление материалов», «Материаловедение», «Инженерная графика» и при прохождении учебно-технологического практикума. Теоретические знания, полученные на лекциях, опыт решения технологических задач на семинарах и при выполнении домашних заданий в первую очередь потребуются при выполнении курсового проекта «Основы проектирования машин. Часть 2», а также при изучении дисциплины « » и прохождении технологических практик.
Для современной технологии характерно сочетание в едином цикле разнообразных физико-химических процессов. Установление общих закономерностей, используемых при изготовлении деталей машин, является необходимым условием разработки и
оптимизации технологий. При решении задач комплексного использования сырья, энергии, производства новых материалов и создания безотходных технологий возрастает роль естественных наук. Техническое знание составляет неотъемлемую часть современной науки - с одной стороны и производства – с другой. Поэтому именно эти знания являются связующим звеном между естествознанием и практической деятельностью инженера.
Кроме того, теоретической основой технологических дисциплин является естествознание, открывающее основные законы природы, опираясь на которые, инженеры создают новые технологии и передовую технику. При этом естественные науки определяют пределы возможного, а социально-научные – пределы целесообразного, и только техническое знание позволяет разработать конкретную конструкторскую документацию и технологию изготовления требуемых изделий.
Независимо от сферы деятельности инженер должен обладать широкими знаниями в области конструирования и технологии изготовления деталей, машин, приборов, их   и утилизации. При изучении инженерных дисциплин и создании новой техники и технологий следует уделять особое внимание экологическим вопросам, поскольку деятельность инженера связана с расходованием энергии, полезных ископаемых и загрязнением окружающей среды.
В этой связи ответственность инженеров за выживание человечества является ключевой. При создании промышленной продукции приобретают значение вопросы ресурсосбережения и экологической чистоты. С точки зрения расходования ресурсов ясно, что энергоемкие и экологически вредные, связанные с повышенным расходованием кислорода и энергии, не имеют перспективы. Кроме того, необходимо учитывать затраты средств и полезных ископаемых не только на этапе изготовления предметов труда, но и при их функционировании, ремонте и утилизации.
Важным этапом создания изделий является процесс проектирования. Конструктор при создании различного рода изделий закладывает в документацию определенный вариант конструкторско-технологического решения (КТР). При этом необходимо принимать такое КТР, которое удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым к изделию, и соответствует современному уровню развития технологии. Конструктор должен учитывать как свойства материала изделия, так и технологию изготовления заготовок, их последующую термическую и механическую обработку. Процессам проектирования и изготовления изделий должны предшествовать этапы маркетинга и проведения исследования по определению оптимального варианта получаемой продукции.

1.2. Конструкционные материалы на металлической основе

Из многообразия материалов наиболее широкое применение в машиностроении нашли железоуглеродистые сплавы. Основные свойства этих материалов определяются содержанием главной примеси – углерода. Взаимодействие углерода с α и γ модификацией железа приводит к образованию сплавов различных по структуре и свойствам. Построение диаграммы состояния железо-углерод (цементит) дает представление о температурах и концентрационных границах существования этих сплавов.
Диаграммой состояния железо-цементит называется графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации углерода в условиях равновесия (фильм ). Фазовой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. На рис.1.1 изображена диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, имеющая большое практическое значение.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов . В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:
Аустенит – твердый раствор углерода в γ – железе с предельной концентрацией углерода 2,14% при температуре 1147 0 С, с понижением температуры до 727 0 С концентрация углерода уменьшается до 0,8%С. Сталь со структурой углерода аустенита не магнитна и имеет высокие пластичность и вязкость.
Феррит – твердый раствор углерода в α – железе с предельной концентрацией углерода 0,02% при температуре 727 0 С. Феррит имеет малую твердость и высокую пластичность.
Цементит (6,67%С)- химическое соединение железа с углеродом (Fe 3 C). Цементит имеет высокую твердость и низкую пластичность.
Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8% С). Сталь, имеющая структуру перлита, обладает повышенными прочностью и твердостью.
Ледебурит(4,3%С) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и перлита. Ниже температуры 727 0 С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита.
Графит – углерод в свободном состоянии, образующийся в чугунах в результате распада цементита при медленном охлаждении. Графит обладает низкой твердостью и малой прочностью.
На диаграмме состояния железо-цементит (рис.1.1) :

линия ABCD – линия ликвидуса, выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии;

линия AECF – линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При этих температурах заканчивается процесс первичной кристаллизации;

в точке С при концентрации углерода 4,3% образуется эвтектика, которая носит название ледебурит;

линия PSK – линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации;

линия PS – линия нижних критических точек А 1 ;

линия GS – линия верхних критических точек А 3 , она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита;

линия SE – линия верхних критических точек А m , она показывает температуру начала выделения вторичного цементита.

Практическое применение диаграммы Fe-Fe 3 С. Диаграмму железо-цементит применяют для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали; для назначения температурного нагрева заготовок при обработке давлением; для определения температуры плавления и заливки сплавов в литейную форму. Температуру плавления и заливки расплава в форму определяют по линии ликвидуса. Температурный интервал при горячей деформации стальных заготовок находится ниже линии солидуса на 100…150 0 С (верхний предел) и выше линии критических точек А 3 на 25…50 0 С (нижний предел). Основой процесса термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе a- и g- железа. Полиморфные превращения стали протекают в определенном интервале температур, ограниченном нижней А 1 и верхними А 3 и А m критическими точками. В результате полиморфизма происходит перекристаллизация (изменение кристаллического строения) стали в твердом состоянии. Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержки их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава, а следовательно, и его свойства (см. Приложение 1 ). Изменяя скорость охлаждения, можно получить различные структуры и физико-механические свойства железоуглеродистых сплавов. Основные виды термической обработки – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг, нормализация и закалка выполняются при нагреве выше точки А 3 или А m с последующим охлаждением: при отжиге вместе с печью, при нормализации – на воздухе, а при закалке – быстрое охлаждение в воде или масле. Регулируя скорость охлаждения стали, из аустенитного состояния можно получить различные структуры: мартенсит, тростит, сорбит, перлит. Отпуск выполняют при нагреве ниже точки А 1 и медленном охлаждении. Этот вид термической обработки применяют как сопутствующую операцию после закалки для получения более устойчивых структур (Приложение 3 ).

1.3. Классификация сталей и чугунов

Классификация сталей . Стали обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств. По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и сплавы с особыми физическими свойствами. Особенности маркировки конструкционных материалов разобраны в Приложении 2 .
Конструкционные стали , применяемые для изготовления деталей машин, приборов, металлоконструкций и сооружений, классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.
По химическому составу конструкционные стали подразделяют на углеродистые и. На долю углеродистых сталей, которые содержат до 0,75% С, приходится 80% от общего объема выплавляемой стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей и режущим инструментом. Легированные стали получили широкое применение в строительстве (низколегированные) и в машиностроении (легированные). Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии – после и. В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Для легирования обычно используют молибден, марганец, хром, кремний, никель и ванадий. Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов более 10% (высоколегированные), как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.).
По качеству сплавы классифицируют на стали обыкновенного качества (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6), качественные стали (08, 10, 15, ..., 60, 30Х, 40ХН, 30ХГС и др.), высококачественные (30ХНЗА, 40ХФА, 40ХН2МА, 12Х18Н10Т и др.), особовысококачественные (ШХ15Ш, 30ХГСА-Ш и др.). Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные – не более 0,04 % S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
По степени раскисления стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп, ... Ст6сп; 08, 10, ..., 60 и др.) раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп; 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп) раскисляют только марганцем и производят низкоуглеродистыми (< 0,2% С) с повышенным количеством газообразующих. Полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс, ..., Ст6пс; 08пс, 10пс, 15пс, 20пс) по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный; эвтектоидные, структура которых состоит из; и. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, – всех классов.
По прочности , оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали разделяют на стали нормальной (средней) прочности (σв < 1000 МПа), повышенной прочности (σв < 1500 МПа) и высокопрочные (σв > 1500 МПа).
По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные – для металлоконструкций и сооружений.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов. По химическому составу эти стали подразделяют на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали по качеству классифицируют на качественные (У7, У8, У9, ..., У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А, ..., У13А). По структуре стали У10, У11,У12, У13 – заэвтектоидные.
Низколегированные стали по структуре относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса, в которых хром – постоянный элемент (ХВ4, 2ХС, ХВГ, ХВСГ). Высоколегированные стали по назначению подразделяют на быстрорежущие и стали, используемые для изготовления штампов.
В быстрорежущих сталях (Р18, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ и др.) основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден и ванадий, процентное содержание которых указывается после соответствующих букв. Для изготовления штампов применяют стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием, кремнием (X12, Х12М, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНВ, 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС и др.).
Сплавы для контрольно-измерительных инструментов (калибров, шаблонов, скоб, линеек и др.) должны обладать высокой, поэтому обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X, 12Х, 15Х и др.
К сталям с особыми свойствами относят сплавы, для которых механические свойства, как правило, не имеют первостепенного значения. Основным предъявляемым к этим сталям требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Многие из этих сплавов высоколегированные, отличающиеся высокой точностью химического состава.
По назначению сплавы с особыми свойствами могут быть подразделены на магнитные, аморфные (металлические стекла), стали с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с эффектом «памяти формы», жаростойкие, коррозионно-стойкие и др.
Классификация чугунов. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительно низкой себестоимости получили широкое распространение в машиностроении. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом, белые и ковкие чугуны.
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита (фильм ). По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. По структуре металлической основы серый чугун может быть ферритным, перлитным или перлитно-ферритным (рис.1.2). Обозначают серые чугуны индексами: СЧ20, СЧ25, СЧ30. Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.



Рис 1.2. Микроструктура серого чугуна: а) - ферритного; б) - перлитно-ферритного; в) - перлитного:
1 – феррит; 2 - пластинчатый графит; 3 - перлит.

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (фильм ). Их получают модифицированием сплавом магния с никелем, который вводят в жидкий чугун. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным, перлитным или перлитно-ферритным (рис.1.3). Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления (ВЧ35…ВЧ100).



Рис 1.3. Микроструктура высокопрочного чугуна: а) - ферритного; б) - перлитно-ферритного; в) - перлитного:
1 – феррит; 2 - шаровой графит; 3 - перлит.

В чугуне с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и червеобразную извилистую форму (рис.1.4).



Рис 1.4. Микроструктура чугуна с вермикулярным графитом:
1 – вермикулярный графит; 2 – феррит;

Особенностью структуры этого чугуна является наличие в металлической основе значительного (до 70…90%) количества феррита.
Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45. Число в марке чугуна обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму (фильм ). Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов (рис.1.5). По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит в отличие от пластинчатого меньше снижает механические свойства металлической основы, поэтому ковкие чугуны обладают более высокими прочностью и пластичностью по сравнению с серыми.



Рис 1.5. Микроструктура белого чугуна:
1 – перлит; 4 – цементит;

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными или перлитными (рис.1.6). Ковкие чугуны обозначают индексом КЧ и последующими цифрами, первая из которых - уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления, а вторая – пластичность в % : КЧ30-6, КЧ60-3 и др.



Рис 1.6. Микроструктура ковкого чугуна: а) - ферритного; б) - перлитного:
1 – перлит; 2 – графит отжига; 3 – феррит;

1.4 Факторы, влияющие на свойства металлов и сплавов

Выбор марки материала в процессе проектирования изделий осуществляют на основе рассмотрения комплекса свойств, которые необходимы на этапах изготовления, эксплуатации и восстановления деталей.
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициент линейного расширения, электросопротивление и теплопроводность. Химическими свойствами являются способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К основным механическим свойствам относят, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и ползучесть. Технологическими свойствами металлов и сплавов являются, и режущим инструментом. К эксплуатационным свойствам в зависимости от условий работы изделия относят, коррозионную стойкость, и др.
Физико-химические и механические свойства материалов зависят от строения атомов, атомно-кристаллической структуры, химического состава, микро- и макроструктуры.
Известно, что все материалы состоят из атомов, которые, в свою очередь, представляют собой композицию протонов, нейтронов и электронов. Атомы в материалах связаны между собой различными типами связей (ионной, ковалентной, металлической). Наиболее важным типом связи в машиностроительных материалах является металлический, который характерен для чистых металлов и их сплавов.
Атомы в кристаллических структурах расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки, которые представляют собой наименьший объем кристалла, дающего полное представление об атомно-кристаллической структуре материала и называемого элементарной ячейкой. Большинство материалов, используемых в технике, и все металлы, как правило, имеют кристаллическую структуру.
Кристаллические решетки, образуемые металлами, называют металлическими. В узлах этих решеток находятся положительные ионы металлов, а валентные электроны могут передвигаться между ними в различных направлениях. Такое строение решетки обусловливает высокую электрическую проводимость, теплопроводность и пластичность металлов. При упругопластическом деформировании не происходит разрыва связи и разрушения кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы «плавают» в облаке электронного газа.
Математически доказано, что можно получить 14 различных вариантов кристаллических решеток. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки, такие как объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП) – рис. 1.7.
Всем кристаллам присуща, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства, как, и химическая активность, существенно отличаются у различных граней кристаллов.



а б в
Рис.1.7 Кристаллические решетки металлов:
а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГП

С повышением температуры или давления параметры решетки могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению свойств. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название или. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфным превращением.
Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материалов. Дефекты внутреннего строения подразделяют на точечные (вакансии), линейные (дислокации) и плоскостные (скопление дислокаций). Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллитов, различно ориентированных в пространстве.
Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов неоднозначно. Если прочностные характеристики бездефектных кристаллов очень высоки, то увеличение дефектов до определенного количества приводит к резкому снижению механических свойств. Дальнейшее увеличение дефектов, например, при введении в расплав компонентов или применении специальных методов искажения кристаллической решетки, повышает реальную прочность металлов.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем чистых металлов, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы (однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно). Компоненты в твердом сплаве могут образовывать следующие структуры: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
На свойства сплавов наряду со строением атомов основного компонента, атомно-кристаллического строения и химического состава существенное влияние оказывает микроструктура . Этот фактор показывает влияние размера, формы кристаллитов (зерен), взаимного расположения фаз, их формы и размеров на свойства материалов. Для определения микроструктуры из исследуемого изделия изготавливают микрошлиф, структуру которого наблюдают с помощью оптического или электронного микроскопа (рис. 1.8).



Рис. 1.8 Микроструктура сплава:
1 – (Аm Bm );
2 – элемент (компонент) в свободном виде;
3 – [А(В)+Аm Bn ];
4 – [А(В)].

Макроструктура заготовки является еще одним фактором, активно влияющим на свойства получаемых изделий, которая исследуется на шлифах при увеличении не более чем в 30–40 раз. При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; деформированные кристаллиты в поковках; дефекты, нарушающие сплошность изделий; химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации, и т. д.
Вид макроструктуры зависит от условий изготовления заготовок и деталей машин. Например, для строения слитков и отливок характерно наличие кристаллитов различных размеров и форм, пористости, раковин и т. п. Такую макроструктуру принято называть литой . Обработка давлением слитков при нагреве до высоких температур вызывает деформацию кристаллитов и частичную заварку пор и раковин, а последующая рекристаллизация формирует мелкозернистое строение металла. Таким образом формируется макроструктура. Заготовки с этим видом макроструктуры, как правило, обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с отливками.
Материалы с аморфной структурой не имеют упорядоченного строения и, в отличие от кристаллических тел, являются изотропными. Аморфная структура, так же, как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Аморфное тело можно представить как жидкость с очень большой вязкостью. Однако в отличие от жидкости в аморфном веществе частицы практически не обмениваются местами. Типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным. Аморфную структуру могут образовывать металлы при очень высоких скоростях охлаждения (примерно 10 6 °С/с).

1.5. Технологические свойства материала заготовок

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам.
Способность объемной заготовки принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке оценивается деформируемостью . Это технологическое свойство определяется сопротивлением деформированию и пластичностью, которые, в свою очередь, зависят от строения атома, атомно-кристаллического строения, макро- и микроструктуры, а также от условий деформирования. Наиболее широкое применение в обработке давлением получили заготовки из стали, алюминиевых, магниевых, медных и титановых сплавов.
К литейным свойствам относят технологические свойства металлов, которые проявляются при заполнении литейной формы, кристаллизации отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства – жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др. На литейные свойства влияют химический состав расплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, серый чугун обладает высокими литейными свойствами, и отливки из этого сплава могут быть получены как в песчаных, оболочковых, так и в металлических формах. Он имеет высокую жидкотекучесть, которая позволяет изготавливать отливки с минимальной толщиной стенки 3…4 мм, малую усадку (0,9…1,3 %), обеспечивающую получение отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов при установленной технологии сварки образовывать соединения, отвечающие конструктивным требованиям и условиям эксплуатации. Свариваемость зависит, с одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой – от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений удовлетворяются, то свариваемость материала считается достаточно хорошей. Проявлением пониженной свариваемости является образование горячих и холодных трещин в шве и в зоне термического влияния. К таким дефектам склонны высокоуглеродистые и легированные стали, магниевые и алюминиевые сплавы.
Под обрабатываемостью резанием понимают способность материалов подвергаться резанию. Это технологическое свойство можно оценивать одним или несколькими показателями. К ним относятся допустимая скорость резания, стойкость инструмента при стандартных режимах резания, шероховатость обработанной поверхности и т. п. Производительность и себестоимость обработки зависят главным образом от допустимой скорости резания, поэтому она является основным показателем обрабатываемости. Это технологическое свойство материалов определяется их химическим составом, структурным состоянием, механическим и теплофизическим свойствами. Так, из всех конструкционных материалов, применяемых в машиностроении, магний обладает наиболее высокой обрабатываемостью. Однако он склонен к возгоранию в процессе механической обработки, поэтому при его резании требуется соблюдение специальных мер техники безопасности.
Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Например, широкому внедрению композиционных материалов препятствуют их низкие технологические свойства.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ


1. Сформулируйте цель изучения дисциплины «Технология конструкционных материалов».
2. Знания каких дисциплин необходимы для изучения курса лекций?
3. Сформулируйте основные факторы, определяющие физико-химические, механические, металла заготовок деталей машин.
4. Какое влияние оказывает микро- и макроструктуры на свойства материала заготовок?
5. Сравните технологические свойства доэвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей. Какие стали обладают лучшей деформируемостью?
6. Что называется диаграммой состояний Fe-Fe 3 С ? Каково её практическое значение?
7. По каким признакам классифицируют стали и чугуны? Приведите примеры маркировки углеродистых сталей и чугунов.