Ответы по материаловедению / ref-16340.doc

Материаловедение

1. Типы межатомных связей. Влияние на свойства материалов.

Ван-дер-Ваальса связь возникает в результате индукционного взаимодействия атомов, в инертных газах. Ионная связь возникает в результате взаимодействия разноимённых зарядов (положительного и отрицательного), ненаправленная, ненасыщенная, локализованная. Ковалентная связь возникает обобщением нескольких электронов (по правилу 8-n, где n - число электронов), имеет высокую энергию, является направленной, насыщенной и локализованной. Металлическая связь возникает в результате обобществления всех электронов. Эта связь ненасыщенная, ненаправленная, не локализованная.

2. Кристаллические и аморфные материалы. Кристаллическое строение. Основные типы кристаллических решёток.

Кристаллическое тело характеризуется правильным расположением атомов в пространстве. У аморфных веществ расположение атомов случайно. Кристаллические вещества образуют кристаллическую решётку. 14 типов кристаллических решёток. Крист. решётка характеризуется элементарной ячейкой. Эл. ячейка - кристаллич. решётка наименьшего объёма, воспроизведение которой в пространстве множество раз создаёт пространственную крист. решётку. Атомы в пространстве располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Основные типы:

1. Простая кубическая решётка: в узлах кубика атомы касаются друг друга. Параметры: Период решётки (расстояние между атомами a =d), d - диаметр атома. 1/8·8 =1 атом на элемент, ячейку. Для химического соединения данный тип решётки.

2. Кубическая объёмно-центрированная решётка характерна для тугоплавких металлов. a =1,21·d. 1/8·8 +1 =2. Feα, Ti, W, Nb.

3. Кубическая гранецентрированная решётка . 1/8·8 +1/2·6 =4. Характерна для пластичных металлов. Cu, Feγ, Au.

3. Анизотропия кристалла и изотропия кристаллических тел.

Анизотропия - это различие свойств в разных направлениях в кристалле. В монокристалле - анизотропия. Поликристаллические вещества - где много кристаллов. В поликристаллическом теле - изотропия (одинаковые свойства по разным направлениям).

4. Идеальное строение металла. Отклонение в строении реальных (технических) металлах и влияние на их свойства.

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зёрнами. Кристаллические решётки в отдельных зёрнах ориентированы относительно друг друга случайным образом. Поверхности раздела зёрен называются границами зёрен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определённых условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. Встречаются в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зёрна в поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении атомов, т.е. не являются идеальными кристаллами. В действительности реальные кристаллы содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

5. Дефекты кристаллического строения: вакансии и дислокации. Влияние на превращения и свойства.

Эффект вакансия - точечный дефект, вызывает искажение. Диффузия ускоряется. Дислокация - линейный дефект (много вакансий в ряд): эффект имеет длину, определяет высокую пластичность материала.

6. Дефекты кристаллического строения. Кристалл зерно.

Дефекты: точечные, линейные, поверхностные, объёмные. Точечные: внедрение, вакансия, вызывают искажения. Линейные: дислокации, определяют высокую пластичность материала, эффект имеет длину. Поверхностные: границы зёрен, резко повышают пластичность и снижают прочность материала. Объёмные - порог в металле, дефекты имеют объём. Зерно - кристалл неправильной формы.

7. Первичная кристаллизация металлов, законы кристаллизации.

Первичная кристаллизация - переход из жидкого состояния в твёрдое. Энергетические условия первичной кристаллизации: из двух состояний: жидкого и твёрдого при данной температуре более устойчивым будет то, в котором металл имеет свободную энергию. Свободной энергией наз. часть внутренней энергии вещества, уменьшение которой приводит металл в более равновесное состояние. Процесс кристаллизации происходит в два этапа: зарождение центра кристаллизации и рост кристаллов.

8. Первичная кристаллизация. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства металлов.

Диаграмма Тамман

ч.ц. - число центров, с.к. - скорость кристаллизации. Чем больше переохлаждение, тем меньше зерно. В крупных изделиях очень трудно получить мелкое зерно. Чем выше скорость кристаллизации, тем металл менее прочен.

9. Зерно в сплавах. Влияние величины зерна на свойства.

Зерно - это кристалл неправильной формы. Кристаллы могут иметь форму дендрита. Дендрит - кристалл древовидной формы. Мелкое зерно прочное, крупное зерно хрупкое.

10. Сплавы. Основные понятия и термины: сплав, компонент, фаза, структура, равновесное и неравновесное состояния.

Сплавы - это вещества, состоящие из двух или более элементов периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент - вещество, образующее сплав. Фаза - пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решётку и свои свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные - несколько фаз. Структура - строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства. Равновесное состояние - когда в сплаве все фазы, присущие этой системе оформлены. Это состояние обеспечивается при медленном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз. Неравновесное состояние - процесс образования и обособления фаз не закончился, образуется при быстром охлаждении.

11. Сплавы. Классификация сплавов. Зависимость структуры сплава от положения компонентов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Химические соединения, твёрдые растворы, смеси (механические). Если оба компонента теряют свою кристаллическую решётку, и у сплава образуется новая решётка, то это хим. соединение. Если один из компонентов сохраняет кристаллическую решётку, а другие её теряют, такие сплавы наз. твёрдыми растворами. Если оба компонента сохраняют кристаллическую решётку и свойства, то сплавы называются смесями. Хим. соединения: металлы обладают восстановительными свойствами, а неметаллы - окислительными. Сплавы: стали, чугуны, медные, алюминиевые, магниевые, титановые, оловянистые и свинцовые сплавы.

12. Диаграммы состояния двойных сплавов (основные типы). Закономерности Н.С. Курнакова.

Диаграмма состояния сплавов показывает фазовое или структурное состояние в зависимости от сплавов. Процесс кристаллизации начинается на линии ликвидус и заканчивается на солидус. Свойства сплавов твёрдых растворов изменяются по параболической зависимости при добавлении второго компонента.

Оба компонента имеют разную химическую природу.

13. Диаграммы состояния сплавов. Правило отрезков.

Для определения состава твёрдой и жидкой фазы какой-то точки необходимо провести коноду. Для определения количественного состава фаз в сплаве нужно брать отрезки на коноде обратно расположению фаз на диаграмме. Q_α относится так к Q_спл, что Q_α/Q_спл = lk/ls, а Q_ж/Q_спл = ks/ls.

14. Сплавы. Деформируемые и литейные сплавы. Особенности строения и свойства.

Литейный сплав в твёрдом состоянии хрупок, происходит разрушении в условиях растяжения или изгиба (ударного). Деформируемый сплав пластичен.

Напряжение σ = P/F₀, P - действующая нагрузка, F₀ - площадь образца, которую он имеет в начале испытания на растяжение. Важнейшая характеристика: σ_В - предел прочности при растяжении, что соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. σ_В - сопротивление большой пластической деформации. Чем больше энергия атомов, тем выше σ_В. Структура с мелким зерном прочнее, чем структура с крупным.

σ_Т - предел текучести, для пластичных материалов σ_Т ≈ 0,5σ_В. Условный предел текучести σ_0,2 = 0,5-0,7 σ_В. HB - твёрдость по Бринелю, характеризует сопротивление металла большой пластической деформации в условиях сжатия. P = 3000 кг, диаметр шарика = 10 мм. HB = P/F_отп [кгс/мм²]. Чем выше HB, тем труднее изготавливать детали. Линейная зависимость: σ_В ≈ HB/3. Пластичность определяется в испытаниях на растяжение. l_н - начальная длина образца, l_к - конечная. Относительное удлинение σ% = (l_к-l_н)/l_н·100%. Это характеристика надёжности материала. Относительное сужение ψ% = (d_к-d_н)/d_н·100%, d - диаметр образца. Ударная вязкость - хар-ка, показывающая сопротивление материала к динамическим нагрузкам. Ударная вязкость a_н = (P·H-P·h)/S [кгс/мм²]. Модуль Юнга E (нормальной упругости) показывает связь между нагрузкой и деформацией. Чем жёстче материал, тем выше E. E_Fe = 20000 кгс/мм².

15. Способы упрочнения сплавов.

Наклёп - упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация - упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном превращении. Дисперсионное твердение - упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

16. Деформация упругая и пластическая. Упрочнения металлов при пластической деформации.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в крист. решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещённая часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Наклёп. Перекристаллизация. Дисперсионное твердение.

17. Холодная и горячая пластические деформации. Условия деформирования. Влияние на структуру и свойства металлов и сплавов.

Если пластическая деформация осуществляется при температуре выше Tр, то наклёпа нет. Эта деформация называется горячей пластической деформацией. Холодная пластическая деформация (давление) происходит при температуре ниже Tр, возникает упрочнение.

18. Рекристаллизация сплавов, влияние на структуру и свойства. Температура рекристаллизации по А.А. Бочвару.

Рекристаллизация - возвращение свойств в первоначальное состояние в процессе нагрева наклёпанного металла. Процессы: уменьшение количества дефектов, рост зерна (до исходного). А.А. Бочвар показал: T_р = a·T_плК (в Кельвинах). Чем выше T_пл, тем выше T_р. Вольфрам, молибден - самые тугоплавкие Me. Если чистый Me - a ≈ 0,2, механические смеси - a ≈ 0,4, твёрдые растворы - a ≈ 0,6, химические соединения - a ≈ 0,8.

19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства.

Бездиффузионные характеризуются перемещением атомов в пределах элементарной ячейки крист. решётки, высокой скоростью. Диффузионные превращения характеризуются перемещением атомов на большие расстояния. Они ускоряются с повышением температуры. К таким процессам относят частичный расплав твёрдого раствора α₁ → α₂ +β.

20. Полиморфные превращения в сплавах. Влияние превращений на структуру и свойства.

Полиморфизм - свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Feα ⇔ Feγ. 42 металла имеют полиморфные превращения. Железо, титан, марганец, графит, алмаз, олово. Свойство используется при термической обработке.

21. Дисперсионное твердение. Сплавы, упрочняемые дисперсионным твердением.

Дисперсионное твердение - упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора. Дуралюминий (0,5-5,6% Cu) может быть упрочнён в результате дисперсионного твердения. Нагреваем дуралюминий в области α-тв. р-ра и быстро охлаждаем - закалка (задерживаем все диффузионные процессы), получаем пересыщенный α-тв. р-р. Весь Cu сосредотачивается в тв. р-ре. Прочность низкая после закалки σ_в ≈ 20 кг·с/мм². Если нагревать закалённый сплав, то начинается процесс дисперсионного твердения. Материал будет упрочняться. Процесс упрочнения тв. р-ра в результате выделения из него мелких частиц второй фазы. Старение - процесс выделения и коагуляции частиц второй фазы.

22. Понятие о термической обработке сплавов. Отжиг, закалка, старение (отпуск).

Термическая обработка - изменение структуры и свойств материала в результате нагрева и охлаждения в твёрдом состоянии. Отжиг - термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние, и приводящая металл в более устойчивое состояние. Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением для получения неустойчивого состояния сплава. Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого состояния сплава.

23. Диаграмма состояния «Железо - цементит». Превращения в сплавах на основе железа при нагреве и охлаждении.

Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет решётку о.ц.к., низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα наз. феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Feβ - о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C - точка Кюри, парамагнетик. В 910-1400°C существует Feγ, решётка г.ц.к., это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ наз. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен. Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C - плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe₃C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe₃C - цементит, при низких температурах магнитен. Fe₃C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита - ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит - Перлит. [Ф+Ц] - 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла - [А+Ц], Лп - [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется Ц_I, из А - Ц_II, из Ф - Ц_III. До 2,14% C - стали, после - чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

24. Равновесные структуры в сталях. Их свойства и условия получения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление и состояние сплава также изменяется, то это находит графическое отображение в диаграмме состояния. Она показывает устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

25. Стали. Классификация по качеству, структуре, назначению.

По структуре: технически чистое железо (0,006;0,02), доэвтектоидная (0,02;0,8), эвтектоидная (0,8) и заэвтектоидная сталь (0,8;2,14). Доэвтектоидная сталь: Ф+П, П - тёмный, твёрдый, HB 180, Ф - светлый, более мягкий, пластичный, HB 80. Эвтектоидная сталь: 100% П. Заэвтектоидная сталь: П+Ц. Ц - HB 800, П - HB 180. В процессе медленного охлаждения выделяется Ц_II по границам зёрен в виде сетки.

По назначению: 1) строительные до 0,03% C, металл легко деформируется, эти стали не закаливают, они не упрочняются; 2) машиностроительные, или конструкционные 0,3-0,6% C (валы, оси, детали машин), их можно закалить (изменить свойства), упрочняются за счёт термической обработки; 3) инструментальные 0,7-1,3% C, высокая прочность, твёрдость.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, примеси все не удаётся удалить (S 0,05% и P 0,05%), слитки крупные ≈ 10 т, ликвация сильная, пустоты отрезают, прибыль небольшая; 2) стали качественные, получаются мартеновским способом, S и P до 0,04% в сталях, разливаются в меньшие слитки, меньше ликвация, более дорогие, выше качество, делятся на конструкционные и инструментальные, качественные стали подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C; 3) кипящие стали, классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si - сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, чем больше Si, тем спокойнее сталь, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки; 4) высококачественные, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси; 5) автоматные стали, для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы); 6) легированные стали, Х - Cr, Г - Mn, Н - Ni, К - Co, В - W, Ф - V, Т - Ti, С - Si, Ю - Al.

26. Влияние примесей в стали. Классификация сталей по качеству в ГОСТ. Марки сталей.

Бывают вредные: S, P,O, N и полезные: Mn, Si. Сера попадает из кокса вместе с углём. Наиболее чистый древесный уголь, шведские стали самые чистые, т.к. делают на древ. угле. Сера вызывает красноломкость (в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается). Обычно S в стали 0,02-0,05%. Сера увеличивает хрупкость стали. Влияние фосфора. Попадает из железной руды, создаёт хладноломкость - резкое снижение ударной вязкости при отрицательных температурах. P повышает температуру перехода в хрупкое состояние. Фосфор (много) должен снижать хладноломкость. Кислород, азо вызываю синеломкость. Немцы первые объяснили это явление. Если работают при 300-350° C, и сталь вдруг ломается, поверхность разлома синего цвета (паровые установки). Оказалось, что в структуре образуются нитриды Fe₄N на границах зёрен. В сталь добавляется Al ≈ 4г на тонну стали. Al связывает нитриды, синеломкость устраняется. Марганец имеется в стали 0,5-1,5%, иногда вводится дополнительно. Mn уводит S в шлак, освобождая сталь от S, снижает красноломкость. Mn - хороший раскислитель, отбирает кислород у стали. Mn ~ 0,5% в стали. Кремний действует подобно марганцу, является раскислиелем. Влияет сильнее, чем Mn. Si ~ 0,3-0,5% требуется. Si повышает предел текучести стали. Поэтому кремния много не вводится в сталь Штампуемая низкоуглеродистая сталь.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, углерод увеличивается; 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях; 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная); 4) высококачественные У7А … У13А; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г - Mn); 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х - Cr 1,5%, Н - Ni 3%, А - высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.

27. Стали, марки сталей. Область применения.

1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, слитки крупные ≈ 10 т, поставляют эти стали по механическим свойствам, не подвергаются термической обработке. 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях, разливаются в меньшие слитки, более дорогие, выше качество, подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C. 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная), классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si - сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки. 4) высококачественные У7А … У13А, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси, более дорогие; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г - Mn) , для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы);. 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х - Cr 1,5%, Н - Ni 3%, А - высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.