Кафедра Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава

Кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рауба Александрович

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ 7

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ 7

8 Схема испытания на ударную вязкость: а) образец, б) маятниковый копер

1

Схемы, иллюстрирующие основные типы связи в кристаллах: а) силы Ван дер Ваальса; б) ионная связь в Na. Cl; в) металлическая связь в металлическом натрии; г) алмаз (ковалентная связь)

Ковалентная связь атомов - - Si Механизм образования связи: - Si - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар - Si обменный

Классификация веществ Различия в электрических свойствах разных типов твердых тел могут объясняться: шириной запрещенных энергетических зон различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон диэлектрик W проводник W СЗ ЗЗ полупроводник W СЗ СЗ ΔWз > 5 э. В ЗЗ ВЗ ВЗ ΔWз ~ 1 – 5 э. В ВЗ

Сближение атомов Число уровней = количество атомов × n 2

Формирование кристалла Число уровней = количество атомов × n 2

Силы взаимодействия двух атомов

Металл вне электрического поля Обобществленные электроны образуют подобие газа, частицы которого находятся в непрерывном хаотическом движении

Дрейф электрона Е

2

П О Л И М О Р Ф И З М (АЛЛОТРОПИЯ) – способность металла в зависимости от температуры и давления изменять свое кристаллическое строение (тип кристаллической решетки –модификации: α, β, γ, δ и т. п. ) ПЕРИОД кристаллической решетки расстояние между параллельными атомными плоскостями (для металлов значение его – в пределах 0, 20 – 0, 70 нм 3

4 объемно центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома на ячейку) кубическая (1 атом на ячейку) АК 218 гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку) гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку)

5 Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) объемноцентрированная кубическая (К 8); б) гранецентрированная ку бическая (К 12); в) гексагональная плотноупакованная (Г 12)

6 РЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 1)ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ 2) ЛЕГИРОВАНИЕ 3)ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Структура границы двух соседних кристаллических зерен Блочная структура кристалла: а) схема, б) в вольфраме, х 10 000

ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 9

Схема строения дендрита: 1– 3 – оси первого, второго и третьего порядка Макроструктура стального слитка

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СПЛАВАХ 1 0 ФАЗА – однородная часть системы, с поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства вещества СПЛАВЫ – СМЕСИ изменяется скачком. Структура (строение) - характеристика (МЕХАНИЧЕСКИЕ) сплава по таким параметрам как количество, размер, форма, ВСЕГДА МНОГОФАЗНЫ распределение, взаимное расположение отдельных фаз и структурных составляющих. СТРУКТУРНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава. Она может состоять из одной или нескольких фаз. СПЛАВЫ – ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ (ВСЕГДА ОДНОФАЗНЫ, МЯГКИЕ И ПЛАСТИЧНЫЕ)

1 1 Структура и строение элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А и В)

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ называется сплав, в котором атомы растворенных компонентов находятся в кристаллической решетке компонента растворителя. МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (сплав-смесь) компонентов образуется тогда, когда они не образуют твердых растворов и химических соединений и кристаллы каждого компонента будут сохранять свои состав и свойства. Сплав - смесь, получающийся из жидкого раствора в результате первичной кристаллизации, называется эвтектикой. Она образуется при строго определенных температуре (соотвенственно эвтектической линии) и концентрации компонентов сплава (координаты эвтектической ТВЕРДЫМ РАСТВОРОМ точки), которые называются эвтектическими. Сплав-смесь, кристаллизующаяся из твердого раствора строго определенной концентрации и при строго определенной температуре (вторичная кристаллизация), называется эвтектоидом. Сплав – Химическое соединение – это фаза, состав которой выражается химической формулой А n. В m

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации. КРИТИЧЕСКАЯ ТОЧКА – температура, при которой в сплаве происходит какое либо превращение

Общий вид диаграммы состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов и кривые охлаждения сплавов: 1 – заэвтектического; 2 – доэвтектического; 3 – эвтектического

1 5 Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

КРИВАЯ ОХЛАЖДЕНИЯ (Полиморфные превращения железа) Т, о. С Ж Ж+Feδ 1539 1392 Feδ+Feγ Feγ+Feβ 911 Feβ+Feα 768 Feα t, ч

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ Fe–Fe 3 C Фазы: ЖИДКИЙ РАСТВОР, ФЕРРИТ, АУСТЕНИТ, ЦЕМЕНТИТ Структурные составляющие: ЛЕДЕБУРИТ, ПЕРЛИТ

ПЛОСКОЕ СЕЧЕНИЕ ЗЕРЕН ФЕРРИТА

СТРУКТУРА АУСТЕНИТА

СТРУКТУРА ПЕРЛИТА

Микроструктура ледебурита (эвтектического белого чугуна)

СТАЛИ И БЕЛЫЕ ЧУГУНЫ СТАЛЬ – СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ (< 2 % С) + постоянные примеси (Si, Mn, S, P, O 2, N 2, H 2 ) + случайные примеси (Cr, Ni, Cu, V, W, и др. ) ЧУГУН – СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ (>2 % С) И ДЛЯ СТАЛЕЙ. + ТОЖЕ , ЧТО

МИКРОСТРУКТУРА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

ПРИНЦИПЫ ОБОЗНАЧЕНИЕ МАРОК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380 -94 ): Ст0, Ст1 кп, Ст3 сп, Ст3 Гпс, Ст6 пс. Буквы «Ст» - «Сталь» , ЦИФРЫ – условный номер марки, буква «Г» – марганец при его содержании 0, 80 % и более, буквы «кп» , «пс» , «сп» – степень раскисления стали: «кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная. Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050 -88): горячекатаные (кованные - 08, 08 кп, 10, 15 пс, …, 40 и др. -); 20 Л, 25 Л – литейные; А 12, АС 40 – автоматные. ЦИФРЫ – содержание углерода в сотых долях процента. Углеродистые инструментальные стали: (У 7, У 8, У 10, У 12) - качественные ; У 10 А, У 12 А – высококачественные Буквы: «У» - обозначение углеродистых инструментальных; «А» - высококачественные с пониженным содержанием вредных примесей S и P ; ЦИФРЫ - содержание углерода в десятых долях процента. Например, У 11–углеродистая инструментальная качественная со средним содержанием углерода 11/10 % или 1, 1 %

СТРУКТУРА И 0 БОЗНАЧЕНИЕ МАРОК РАЗНЫХ ВИДОВ СЕРЫХ ЧУГУНОВ СЧ 35 – серый чугун с пластинчатым графитом; σв = 350 МПа

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВАНИИ 1 5

Изменение размера зерна при фазовой кристаллизации доэвтектоидной стали. При нагреве до высоких температур зерно крупное (1), после охлаждения размер его сохраняется (2). Повторный нагрев несколько выше А 3 позволяет измельчить зерно аустенита (3), а после охлаждения получить мелкозернистую структуру (4)

Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой и крупнозернистой эвтектоидной стали

а) б) Фотография (а) и схема (б) микроструктуры Видманштетта

График (а) и кривая (б) изотермического превращения аустенита

Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали Схема построения диаграммы изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯ Х ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Схема образования микроструктуры пластинчатого перлита Микроструктуры перлита, сорбита и троостита

Электронные микроструктуры бейнита (х15000): а) верхнего, б) нижнего

МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

Т, С А 3 А 1 , ч а б , ч Т, С А 3 А 1 , ч в Т, С А 3 , ч г Т, С А 3 А 1 • д А 1 , ч е Виды отжига стали: а – рекристаллизационный и низкотемпе ратурный; б – диффузионный; в – полный; г – изотермический; д – неполный; е – циклический

Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ НАКЛЕП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ХТО – называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т. п. ) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают, в среду богатую элементом (КАРБЮРИЗАТОР), и нагревают. Происходят следующие процессы: диссоциация – распад молекул карбюризатора и образование атомов диффундирующего элемента; адсорбция – поглощение атомов элемента поверхностью детали; диффузия – проникновение атомов элемента от поверхности вглубь металла (в поверхностные слои детали).

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 0, 5 0, 8 1, 5 мм

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОЛИМОРФИЗМ ЖЕЛЕЗА И КАРБИДНУЮ ФАЗУ.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К –кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. 12 Х 2 НВФА, 14 Г 2, 10 ХСНД, 18 Г 2 С, 15, 20 Х, 15 ХФ, 20 Х 2 Н 4 А, 20 ХГНР, 40 ХН 2 МА, 35, 70 С 2 ХАБ ШХ 15, А 12, А 40 Г, 20 Х 12 ВНМФ, 40 Х 15 Н 7 Г 7 Ф 2 МС, У 12, У 10 А, ХВСГ

Алюминий и его сплавы Физические и механические свойства алюминия: Температура плавления, °С 660 Плотность, кг/м 3 2700 Состояние листа Толщина листа, мм Отожженный 1– 10 Нагартованный 4– 10 Горячекатаный 5– 10, 5 σв, МПа, не менее δ, %, не менее 60 130 70 28 5 15

4 0 Диаграмма состояния алюминий-легирующий элемент (схема): А – деформируемые сплавы, В – литейные сплавы, I, II – сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой соответственно

Медь и ее сплавы Физические и механические свойства меди: Температура плавления, ºС 1083 Плотность, кг/м 3 8940 Предел прочности, МПа 200– 250 Относительное удлинение, % 40– 50 4 1

4 2 Диаграмма состояния системы «Cu – Zn» Влияние содержания цинка на свойства латуней

4 3 Микроструктура латуни: а) отожженой α-латуни, б) литой α+β-латуни

4 4 Микроструктура оловянной бронзы с 5% олова: а) литая, б) отожженая

Форма макромолекулы полимеров: а – линейная; б – разветвленная; в – ленточная; г – пространственная, сетчатая, д – паркетная

Схема непрерывной структурной сетки стекла: а – кварцевого, б – натриево-силикатного

. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов с помощью катализаторов

Схема строения композиционных материалов: а – дисперсноупрочненные; б - волокнистые; в - слои.

Классификация наполнителей по форме: а – нуль-мер б – одномерные; в, г, д – двумерные.