- •Введение.
- •1. Цели и задачи предмета «Материаловедение и ткм».
- •2. Связь предмета «Материаловедение и ткм» с другими предметами.
- •3. Роль отечественных и зарубежных учёных в развитии материаловедения как науки.
- •Основные задачи курса:
- •Раздел 1. Основы металловедения.
- •Тема 1. Строение и свойства металлов.
- •Тема 2. Механические свойства металлов
- •Тема 3. Основы теории сплавов
- •1. Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе.
- •2. Структурные составляющие при кристаллизации сплавов: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
- •3.Диаграммы состояния двойных сплавов. Критические точки и линии.
- •Тема 4 . Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния «железо-цементит».
- •1.Диаграмма состояния системы «железо-цементит» в упрощенном виде.
- •2.Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
- •3.Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны.
- •Темы 5. Производство чугуна и стали.
- •Тема. Производство алюминия и меди, титана и магния. (самостоятельное изучение)
- •Тема 6. Чугуны и углеродистые стали, их свойства, маркировка и область применения.
- •Тема 7. Легирование сталей и чугунов
- •1. Общие сведения о легированных сталях. Легирование сталей, их классификация и маркировка.
- •2. Область применения легированных сталей.
- •3. Легирование чугунов, их маркировка и область применения.
- •2. Конструкционные легированные стали (гост 4543–71).
- •Тема 8. Сплавы цветных металлов, их маркировка и область применения.
- •2. Алюминий и его сплавы.
- •3. Магниевые и титановые сплавы.
- •Тема 9. Коррозия металлов, её виды. Металлокерамические твёрдые сплавы.
- •(Самостоятельное изучение)
- •1. Превращения при нагревании стали.
- •2. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
- •3. Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения.
- •Тема 10. Термическая и химико-термическая обработка.
- •1. Отжиг и нормализация стали.
- •2. Термообработка. Закалка. Виды закалки. Отпуск, его виды.
- •Тема 11. Литейное производство. Литьё в разовые формы.
- •1. Сущность и назначение литейного производства. Модельный комплект, его назначение и состав.
- •2. Требования к стержневым и формовочным смесям, их состав.
- •3. Основные сведения об изготовлении литейной формы.
- •Тема 12. Специальные методы литья.
- •Тема 13. Обработка металлов давлением, её виды. Прокатка.
- •Тема 14. Прессование и волочение.
- •Тема 15. Сварка и резка металлов. Электродуговая сварка, применяемое оборудование.
- •Тема 16. Специальные способы сварки.
- •1. Электроконтактная сварка, ее виды и области применения.
- •2. Общие сведения об автоматической сварке под слоем флюса, в среде защитных газов, электрошлаковой сварке.
- •3. Сварка трением, холодная сварка, ультразвуковая, плазменная, лазерная сварка, сварка электронным лучем.
- •Тема 17. Газовая сварка и резка металлов.
- •1. Сущность газовой сварки, применяемые материалы.
- •2. Оборудование и принадлежности для газовой сварки и резки.
- •3. Технология газовой сварки и резки.
- •3. Оборудование и аппаратура для газовой сварки и резки
- •Тема . Методы контроля сварных соединений. ( на самостоятельное изучение).
- •Тема 18. Пайка металлов и сплавов.
- •Тема. Основы слесарной обработки. (самостоятельное изучение)
- •1. Рабочее место слесаря.
- •2. Разметка.
- •3. Основные виды слесарных операций.
- •3. Основные виды слесарных операций.
- •Тема 19. Обработка резанием. Основы теории резания.
- •Тема 20. Сверлильные и расточные станки.
- •Тема 21. Строгальные, долбёжные и шлифовальные станки.
- •Тема 22. Электрические методы обработки изделий.
- •2. Понятие об анодно-механическом и электроконтактном способах обработки.
- •3. Ультразвуковая обработка материалов.
- •4. Лазерная и электронно - лучевая обработка.
- •Тема 23. Древесные материалы и пластические массы.
- •4. Способы получения изделий из пластмасс
- •Тема. Лакокрасочные и клеевые материалы. (самостоятельное изучение)
- •Тема 24. Резиновые и прокладочные материалы
- •Тема 25. Проводниковые материалы.
- •1. Классификация и основные свойства проводниковых материалов.
- •2. Материалы высокой проводимости.
- •3. Сверхпроводники и криопроводники.
Раздел 1. Основы металловедения.
Тема 1. Строение и свойства металлов.
Вопросы:
1. Классификация металлов.
2.Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток. 3.Аллотропические превращения в металлах.
4.Процесс кристаллизации.
5.Термические кривые нагрева и охлаждения металлов.
6.Понятие о свойствах металлов.
1. Большое число различных металлов, которые применяют в технике, можно разделить на черные и цветные.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом.
Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутствие полиморфизма.
К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным – все остальные металлы и их сплавы.
В зависимости от содержания углерода чёрные сплавы делят на стали и чугуны.
Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами – свыше 2,14%.
Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро).
2. Все тела состоят из атомов. Тела, в которых атомы расположены беспорядочно, называют аморфными (стекло, канифоль, воск, смола и др.). Кристаллические тела (все металлы и металлические сплавы), характеризуются упорядоченным расположением атомов. В металлах и металлических сплавах атомы находятся в узлах пространственных кристаллических решеток.
В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно- центрированная кубическая (К, V, Сr, Fеα, Мо, W), гранецентрированная кубическая (Аl, Feγ, Ni, Сu, Аg, Аu, Рb) и гексагональная решетки (Ве, Мg, Со, Zn, Тi). Гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением (рис.1).
Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке (параметр решётки) исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей – ангстремом (А°), который равен 1А° = 10-8 см, или нанометром (1 нм = 10-9 см).
Рис. 1. Расположение атомов в кристаллических решетках:
а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная
3. Некоторые металлы в твердом состоянии (железо, марганец, кобальт и др.) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом. Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до 2000 °С и давлении ~ 1010 Па углерод в форме графита перекристаллизовывается в алмаз.
Аллотропические формы принято обозначать буквами греческого алфавита: альфа, бета, гамма и т. д.
К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое число технически важных металлов (олово, цинк, никель, кобальт и др.) подвержено аллотропическим изменениям.
4. Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твёрдом состоянии (вторичная кристаллизация).
Процесс кристаллизации металла складывается из двух элементарных процессов: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси, мельчайшие шлаковые и неметаллические включения. После образования зародышей атомы жидкого металла, расположенные беспорядочно, начинают располагаться вокруг этих зародышей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновременно во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь между собой, мешают свободному росту каждого. Это приводит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутреннее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, полиэдрами, или зернами. Образовавшиеся реальные кристаллы имеют те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).
Наиболее распространены точечные. К ним относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, (рис.2).
Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения
5. При наблюдении за охлаждением и нагревом чистого металла могут быть построены кривые охлаждения и нагревания в координатах температура — время. Горизонтальный участок а кривой соответствует температурной остановке — температуре затвердевания или расплавления чистого металла.
Вследствие поглощения металлом скрытой теплоты плавления температура остается постоянной (tпл), что отмечено на графике горизонтальным участком кривой нагревания (рис. 5,а). Только после того как металл расплавился полностью, его температура повышается по наклонному участку кривой.
Рис. 5. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморфного тела и сплава:
а – кривая нагревания; б – кривая охлаждения без переохлаждения; в – кривая с переохлаждением; г – кривая с петлей переохлаждения; д – кривая охлаждения аморфного тела; е – кривая охлаждения сплава
6. У металлов выделяют следующие свойства:
-физические (цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность);
-химические (окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность);
-технологические (прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием);
-механические (прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость).