Презентация на тему Материаловедение и ТКМ

состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем,

связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надёжности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения.

материалах внесли русские учёные. П.П.Аносов (1799 – 1851гг.) впервые

установил связь между строением стали и её свойствами. Д.К.Чернов (1839 – 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С. Курнакова (1860 – 1941 гг.) и его учеников.

твёрдых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.
 Аморфные

тела при нагреве размягчатся в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.
 Кристаллические тела остаются твёрдыми, т.е. сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц (ионов, атомов, молекул), из которых они составлены – геометрический фактор.

атомов.
Характера взаимодействия их в кристалле.
От пространственного расположения элементарных частиц.
Химического

состава.
Размера и формы кристаллов.

составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия:
Тонкая

структура.
Микроструктура.
Макроструктура.

элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме.
Изучается

дифракционными методами (рентгенография, элетронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами рентгеновских лучей можно получить обширную информацию о строении кристаллов. Такую мелкокристаллическую структуру наблюдают с помощью электронного микроскопа.
 

Микроскопические методы дают возможность определить (объект изучения - шлиф,

оборудование – микроскоп. Увеличение до 1400):
Размер и форму кристаллов.
Наличие различных по своей природе кристаллов.
Их распределение и относительные объёмные количества.
Форму инородных включений.
Микропустоты.
Ориентирования кристаллов.

Макроанализ предусматривает изучения строения кристаллов невооружённым глазом или при

небольших увеличениях с помощью лупы. Этот метод даёт возможность выявить:
Характер излома.
Усадочные раковины, поры.
Размер и форму крупных кристаллов
Трещины.
Химическую неоднородность (ликвацию).

частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены

до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям.
Наименьший параллелепипед, в котором в узлах находятся элементарные частицы, называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решётку.
Для описания элементарной ячейки кристаллической решётки используют шесть величин: три отрезка – период решётки a, b, c, три угла между этими отрезками α, β, γ. Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем.

так как элементарные частицы находятся не только в узлах

кристаллической решётки, но и на её гранях или в центре решётки.

+ tropos свойства)
 
Это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая

в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства. Прочность и пластичность монокристалла изменяется в зависимости от направления. В природных условиях кристаллические тела – поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением поликристалла кристаллографические плоскости одного индекса в различных зёрнах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют текстурованными, и они, подобно монокристаллам, анизотропны 

связи возникающий между элементарными частицами в кристалле, определяется электронным

строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы в кристалле сближаются на определённое расстояние, которое определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле. Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Силы отталкивания возникают в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении. Они проявляются при сильном сближении и растут интенсивнее, чем силы притяжения.

сил происходит при сближении атомов на расстояние dо. Этому

сближению соответствует максимум энергии связи Есв, что делает кристалл термодинамически стабильным.

определяет: температуру плавления, испарения, модуль упругости, температурный коэффициент

линейного расширения.  
Все кристаллы по характеру превалирующей связи подразделяют:
Молекулярные.
Ковалентные.
Металлические.
Ионные.

чистые металлы или неметаллы, а сплавы металлов с металлами

или неметаллами.
В сплавах элементы могут различно взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.
Фазой называется однородная обособленная часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства.
Эти кристаллы в зависимости от атомно-кристаллической структуры принято делить на три основных вида:

твердые растворы;
механические смеси; - (промежуточные фазы)
химические соединения.- (промежуточные фазы)

сохраняется кристаллическая решётка одного элемента растворителя.
В промежуточных фазах образуется

новый тип кристаллической решётки, отличающийся от решёток элементов, его образующих.
 
Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.

состава. Они могут быть неограниченной растворимости для твёрдых растворов

замещения и ограниченной растворимости для твёрдых растворов замещения и внедрения.
Твёрдые растворы замещения.
Отличие в атомных радиусах компонентов не более чем на 15% (размерный фактор).
Образование твёрдых растворов всегда сопровождается - увеличением электрического сопротивления; твёрдые растворы менее пластичны; более твёрдые и прочные, чем чистые металлы.
Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решётки. Например: сплав меди с золотом, меди с никелем.

невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии.
«Сверхструктура» -

упорядоченный твёрдый раствор. Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или в определённом интервале температур. Температура, при которой твёрдый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова и обозначается θк.

возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый

атомный радиус – Н, N, С, В.
Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решётки.
По мере увеличения концентрации растворённого элемента в твёрдом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твёрдость и прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.
 
Заключение: твёрдые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения. Они отличаются хорошей технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие и в холодном состоянии.

Изотропия
Свойства тела зависят

от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны

Анизотропия
В кристаллических телах атомы правильно располагаются

в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией

Аллотропия
Способность некоторых металлов существовать в различных

кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Диаграмма состояния  

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.
Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

сплавов.  

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме

сплавов.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса


Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится


где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

Правило фаз даёт возможность:
предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;
оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;
указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

сплавов.

Так как диаграммы состояния обычно строятся при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:
С = К + 1 – Ф
где К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы(или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

компонентов

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
механические смеси;
химические соединения;
твердые растворы.

компонентов

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов

Схема микроструктуры механической смеси

решетка химического соединения

Твердый раствор
Схема микроструктуры твердого раствора

Fe – Fe3C

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния.
Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:
формирования структуры любого сплава;
определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;
оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;
сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.
Диаграмма состояния Fe – Fe3C характеризует фазовый состав и превращения в системе железо – цементит (6,67%С). Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Превращение в сплавах системы Fe – Fe3C происходит как при затвердевании жидкой фазы, так и в твёрдом состоянии. Первичная кристаллизация идёт в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов выделяется в виде карбидов (цементита).

сплавах

системы Fe – Fe3C

Превращение в сплавах системы Fe – Fe3C происходит как при затвердевании жидкой фазы, так и в твёрдом состоянии. Первичная кристаллизация идёт в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов выделяется в виде карбидов (цементита).
В системе Fe – Fe3C происходят три изотермических превращения:

перитектическое превращение на линии HJB (1499оС)
ФН + ЖВ → АJ
эвтектическое превращение на линии ЕСF (1147о)
ЖС → АЕ + Ц
эвтектоидное превращение на линии РSК (727оС)
АS → ФР + Ц

и фазы в

сплавах Fe - С.

Компоненты и фазы в сплавах Fe - С. Железо и углерод – элементы полиморфные.
 
Железо с температурой плавления 1539оС имеет модификации – α и γ. Модификация Feα существует при температурах до 911оС и от 1392оС до 1539оС, имеет ОЦК решётку. Важной особенностью Feα является его феррамагнетизм ниже температуры 768оС, называемой точкой Кюри.
Модификация Feγ в интервале температур от 911 до 1392оС и имеет ГЦК решётку. ГЦК решётка более компактна, чем ОЦК решётка. В связи с этим при переходе Feα в Feγ объём железа уменьшается приблизительно на 1%. Feγ – парамагнитно.
 
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, при высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

линии диаграммы состояния Fe –

Fe3C

диаграммы состояния Fe – Fe3C

ПРИМЕЧАНИЕ:

цементит, выделяющейся из жидкости, называют первичным;
цементит, выделяющейся из аустенита, – вторичным;
цементит, выделяющейся из феррита, - третичным.

(Fe – Fe3C)

– Fe3C)
В системе железо - углерод различают

следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе.
Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 оС и менее 0,01% при комнатной температуре, растворимость в δ –феррите - 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σb=250 МПа, НВ =800 МПа).
Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе.
Предельная растворимость углерода в γ-железе - 2,14 % при температуре 1147оС и 0,8%
при 727 оС. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться
сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа
Fe3C, содержащий 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной
упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около
I260°С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ -
8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).
Графит (Гр) - имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку.
Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм), расстояние между плоскостями
- 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью.

эвтектический белый чугун, кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с

одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующая смесь этих сплавов при Т = 1147оС названа Ж → А + Ц.
Перлит (П) - При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектойдного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии РSК аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение и образуется перлит.

подразделяют на две группы:
 
стали, содержащие до 2,14% С;
чугуны, содержащие

более 2,14% С.

- сплав железа с углеродом при содержании углерода до

2,14%. Кроме того, в состав стали обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор, которые попадают в сталь из руды или кокса; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально (легирующие элементы).

Стали
Углеродистые

конструкционные стали подразделяются на стали
обыкновенного качества и качественные.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ380-94) изготавливают следующих марок Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода, например, Ст4 - углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%).
Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.
С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности
(σв) и текучести (σ0.2) и снижается пластичность (δ,ψ). Например, Ст3сп имеет σв=380÷490МПа, σ0.2=210÷250МПа, δ=25÷22%.
Из сталей обыкновенного качества изготовляют прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы. Эти стали широко применяют в строительстве для сварных конструкций.
С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6, с более высоким содержанием углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Стали

Качественные углеродистые стали (ГОСТ1050-88) маркируют цифрами 08, 10, 15,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают низкой прочностью и высокой пластичностью. σв=330÷340МПа, σ0.2=230÷280МПа, δ=33÷31%. Высокая пластичность этих сталей позволяет изготавливать изделия
штамповкой вытяжкой (детали кузовов автомобилей, металлическая посуда и т.д.).
Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых
цементацией.

Стали
Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С)

30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных
деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали, по сравнению с низкоуглеродистыми, имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (σв=500÷600МПа, σ0.2=300÷360МПа, δ =21÷16%).
Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.

Стали
Легированные конструкционные

стали (ГОСТ4543-71) применяют в тех случаях, когда выигрыш от повышения нагрузочной способности детали машины превышает повышение стоимости материала. Естественно, чем больше легирующих элементов содержит сталь, чем они дороже, тем дороже и сама сталь. Поэтому наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами.
Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ″А″.

Стали
Причем для обозначения

легирующих элементов в марках легированных сталей приняты следующие условные сокращения:
А – азот К – кобальт Т – титан Б – ниобий М – молибден Ф- ванадий В – вольфрам Н – никель Х – хром Г – марганец
П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий
Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы
Цифра после буквы , обозначающей легирующий элемент, указывает на содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,001%).

Чугун

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода (но до 6,67%).
В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита.
Белый чугун чрезвычайно тверд, но очень хрупок, и в качестве
конструкционного материала практически не применяется, а используется как сырьё при получении стали. Серые чугуны подразделяется на:
1) серые – с пластинчатой или червеобразной формой графитовых включений;
2) высокопрочные - шаровидный графит;
3)ковкие - хлопьевидный графит.
Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления σв при растяжении в Мпа.
Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).
СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 - высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 700 МПа;
КЧ35 - ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа.