Шпаргалки по металловедению и сертификации продукции
1. Металловедение - это наука изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов, стали и сплавов и закономерностью их изменения под действием тепловых, физ-х, механических и др. воздействий.
Типы межатомной связи. Межатомная связь - явл-ся основой кристалл-го строения элементов и зависит от сил взаимодействия атомов в рез-те взаимодействия их элементов.
Различают 3 типа межатомной связи: ионная, ковалентная, металлическая.
Ионная - возникает в комплексе атомов (разнородных), когда какой либо из них отдает с внешней оболочки, а др. принимает на свою внешнюю оболочку 1 или несколько электронов, при этом образуются "+" и "-" заряженные ионы.
Ковалентная связь - образование молекул F2 CL2 H2 нельзя объяснить ионным типом связи. В данном случае имеет место ковалентная связь при кот. некоторые электроны принадлежат 2-м или нескольким атомам т.е. происходит обобществление электронов принадлежащих разным атомам.
Металлич. связь - металлам присущ особый тип связи - металлическая. это возн-т тогда (в комплексе атомов), когда при их сближении внешн. Эл-ты теряют связь с отд-ми атомами стан-ся общими, легко передвиг-ся между положительно заряженными ионами. Металл сост-т из правильно расположенных в пространстве положительных ионов и перемещ-ся среди них обобществл-х электронов.
Кристаллическое строение металлов. Твердые вещ-ва в зависимости от расположения атомов в пространстве подразделяются на аморфные и кристаллические. В аморфных (смола, стекло) атомы в пространстве располагаются беспорядочно, хаотично. В крист-х вещ-х атомы располаг-ся закономерно в строго повтор-ся порядке, образуя так назыв. кристаллич. решетку.
Все металлы и сплавы при комнатн. темп. и атм давлении явл-ся крист. телами (кроме ртути, кот. переходит в твердое крист. сост. при t0 300С) Крист. решетку можно представить себе, если мысленно переместить центры прямыми линиями.
Различ-т у металлов разное расположение атомов в крист-й решетке. Для большинства пром-х металлов хар-ны след. Типы кристаллических решеток:
1) объемно - центрированная кубическая (ОЦК).2) границентриров. кубическая (ГЦК).3) Гексогокальная плотно упакованная (ГПУ).
Элементы кристаллографии. В крист-х решетках имеются плоскости (кристаллографич. плоск-ти) на кот-х атомы расположены по разному Это означает, что и свойства в разных кристаллограф-х плоск-х и напр-х будут неодинаковыми. Завис-ть физ-х и меж-х свойствах от направления в кристаллах наз-ся анизотропией. Для описания положения атомов в плоск-х и непр-х исп-т следующие эл-ты кристаллографии:
1) параметр. крист. решетки.
2) координационное число - число атомов, приходящихся на элементарную ячейку.
3) атомная плоскость - плоскость атомов.
4) кристаллографические индексы (индексы плоскостей и индексы направлений).
Кристаллографические индексы. В кристалле можно показать большое количество плоск-й, прох-х через узлы крист. решетки, это так назыв. кристаллографич. плоск-ти. Расположение атомов на этих плоскостях располож. их будут опред-ть мех-е, физ-е и др. свойства металлов. Для опред-я положения этих плоск-й в пространстве польз-ся так назыв. кристаллограф. индексами. Они представляют собой 3 целых рацион-х числа, величина кот-х обратна осевым отрезкам отсекаемым данной плоск. на осях координат, при этом единицы длины вдоль этих осей выбир-т равными длинам ребер элемент ячейки.
Кроме индексов плоскостей имеют место кристаллографич. инд. направлений. Индексы направлений совпадают с индексами перпендикулярных им плоскостей, при этом инд. направл-й пишутся в квадратных скобках.
Полиморфные превращения. Зависимость физ. и мех. св-тв в кристалле от направления наз. анизотропией.
Пол влиянием темпер. и давления в некоторых металлах (жел, титан, кобальт) в твердом состоянии происходит перестройка из одного типа крист. решетки в другой. Способность металла существ-ть в разных кристаллич. формах при разных температурах наз. полиморфизмом.
Магнитные превращения. Некоторые металлы (жел, кобальт, никель) отличаются способностью хорошо намагничиваться. Это свойство называется ферромагнитным. При нагреве ферромагнитн. св-ва теряются. Кюри показал, что потере ферромагн. св-тв соотв-ет определ. температура, назв. т. Кюри. Для никеля-400гр. цельс, железа-770, коб. - 1200.
Магнитные отличаются от полиморфн. превращений, а именно - магнитные сопровожд-ся изменением крист. решетки, происход. в интервале температут.
2. Реальное строен. кристаллич-х тел. Дефекты крист. реш.
В реальных кристаллах строгий порядок атомова нарушается. Исслед-е реал. кристаллов обнаружило много видов нарушения крист. строения. Эти нарушения называются дефектами или несовершенствованиями крист. решетки. Налич. деф-в в решетке определяют реальные свойства металлов и сплавов.
Дефекты крист. решетки делятся на 3гр.:
1) точечные,
2) линейные,
3) поверхностные.
Они имеют атомные размеры. Кроме них имеют место так назыв. объемные дефекты (поры, трещины, царапины)
Дефекты в крист. решетке могут возникать по разным причинам - с повыш. t, при деформации и т.д.
1) точечные - вакансии, дислокацированные атомы, примесные атомы внедрения и замещения. С повыш. t усиливаются колебания атомов, и отдельные атомы с повышенной энергией могут уйти из узла решетки (вакансии) или перемест. на др. место (дислоцир. атомы). И вакансии и дислоц. атомы перемещаются по кристаллу. Свободное место в решетке может занять атом примеси, если его размеры соизмеримы с основным атомом, образуется примесный атом замещения. Если размеры малы - примесный атом внедрения.
2) линейные -к лин. деф. относятся дислокации, котор. могут возникнуть при деформации металла. При деформац. (сдвиге), когда одна часть смещ. относит.д.р., может возникнуть как бы лишняя атомная полуплоскость, котор. не имеет продолжения в нижней своей части. Эта лишняя полуплоскость наз. дислокацией.
3. Линейные дислокации бывают положит. и отрицат.
Дислокации легко перемещаются по кристаллу, способствуя тем самым осуществлению пластической деформации. Если бы дислокации в металле отсутствовали, и все атомы в металле были бы жестко связ. др. с др., то такой материал обладал бы высокой прочностью, и его нельзя было бы ни деформировать, ни обрабатывать резанием.
И точечные и линейные дефекты приводят к искажению кристаллич. решетки.
3) поверхностные дефекты - к ним относятся искажения крист. решетки на границах раздела между отдельными зернами. Металлы состоят из очень большого числа отдельных кристаллов (зерен), поэтому их называют поликристаллическими телами (много-). На границах раздела между зернами правильное расположение атомов нарушено, и поэтому на границе зерен крист. решетки всегда искажены.
Все вышеперечисленные дефекты крист-го строения могут вступать во взаимодействие др. с др. и существенно влияют на св-ва металлов.
4. Диаграмма железо-углерод.
Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) явл. важнейшим материалом современной техники. Первое представление о диаграмме железоуглерод было дано Черновым Д. К, который открыл так называемые критические точки в стали и показал их зависимость от содержания углерода (727® С и 911®С).
Железо - металл серебристо-белого цвета, tплавления = 1539®, имеет 2 типа кристаллических решеток:
1) ОЦК ниже 911градусов - α-железо и выше 1390градусов - дельта-железо,
2) решетка ГЦК - от 911 до 1392градусов - гамма-железо.
При 768градусов железо теряет магнитные свойства (точка Кюри); железо пластично и обладает невысокой твердостью.
Углерод встречается в природе в виде алмаза, имеющую сложную кубическую решетку и высокую твердость и прочность. И в виде графита, имеющего слоистую гексагональную решетку. Tплавления алмаза = 3500С, при взаимодействии железа с углеродом образ-ся химическое соединение Fe3C (будем обозначать Ц) - содержит 6,67 % углерода.
В зависимости от того, в какой кристаллической решетке железа растворен углерод различают след фазы:
1) феррит (Ф) - это твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе, имеет решетку ОЦК; максимальная растворимость углерода при 727 градусах составляет 0,02%. Феррит имеет низкую прочность и твердость и хорошую пластичность.
2) аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в гамме-железе, решетка ГЦК существует только при высоких температурах больше 727градусов. Максимальная растворимость углерода в гамма-железе при 1147градусах составляет 2,14%, при 727градусах=0,8%.
3) жидкая фаза (Ж) - существует выше линии ликвидус и представляет собой жидкий раствор углерода в железе. Диаграмма состояния железа-углерод приведена на рис.
В системе железо-углерод имеет место 2 превращения - 1-ое - линия EKF (1147) - эвтектическое превращение, при котором жидкость кристаллизуется с одновременным образованием 2-х фаз - аустенита и цементита. Эвтектика, состоящая из аустенита и цементита наз-ся ледебуритом (Л (А+Ц)), 2-ое - линия PSK (727) - эвтектоидное превращение происходит в твердом состоянии, когда аустенит распадается с образованием 2-х новых фаз - феррита и цементита. Эвтектоид, состоящий из феррита и цементита наз-ся перлитом (П (Ф+Ц).
ES- линия предельной растворимости углерода в аустените.
PQ - линия пред растворимости углерода в феррите.
Стали, имеющие содержание углерода меньше 0,8% наз-ся доэвтектоидными. Стали, содержащие 0,8% углерода наз-ся эвтектоидными. Стали, содержащие больше 0,8%углерода наз-ся заэвтектоидными.
Чугуны с содержанием С 4,3% наз-ся эвтектическими, меньше 4,3 - доэвтектическими, больше 4,3 заэвтектическими.
Т. о при медленном охлаждении в процессе кристаллизации в сплавах системы железа - цементит формируется след структура: в доэвтектических сталях - перлит, феррит, в эвтектических - перлит и цементит, в белых доэвтектических чугунах - ледебурит, превращенный+перлит+цементит вторичный, в белых эвтектич чугунахь - ледебурит превращенный., в белых заэвтектических чугунах - ледебурит превращенный и цементит первичный.