Г. – Федоров – гипотеза: «Металлы - есть кристаллы»

Материаловедение

в таблицах и схемах

________________________

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

(для металлообрабатывающих профессий)

Г.

Гинц Л.П., Манакова Г.И.,

Учебное пособие по материаловедению. – Набережные Челны, 2015 г. – 28 с.

 

 

Рецензент: Степанова Н.П. - кандидат педагогических наук ГАПОУ «Политехнический колледж им. Л.Б.Васильева» г. Набережные Челны

 

Учебное пособие позволяет оказать помощь студентам в освоении материала по дисциплинам «Материаловедение», «Основы материаловедения».

 

Материал представлен в виде схем, таблиц и опорно-логических конспектов, что способствует более глубокому усвоению учебного материала. В пособии рассмотрены основные конструкционные и инструментальные металлы и их сплавы. Дана информация об их строении, свойствах, областях применения. Особое внимание уделено важности изучения каждой конкретной темы.

Для студентов СПО по укрупненной группе профессий 150000 Металлургия, машиностроение и материалообработка.

Пособие прошло апробацию в ГАПОУ «Набережночелнинский политехнический колледж» города Набережные Челны.

 

 

 

Введение.

 

”Человечество не может жить без металлов, если бы не было металлов, люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Они вернулись бы к желудям и лесным яблокам и грушам, питались бы травами и кореньями, когтями выгребали бы себе логовища, чтобы лежать в них ночью, а днем бродили бы там и сям по лесам и полям, подобно зверям. Поскольку такой образ жизни совершенно недостоин человеческого разума, самого лучшего дара природы, то неужели кто-либо окажется столь глуп и упрям, чтобы не согласиться, что металлы необходимы для пропитания и одежды, и что они вообще служат для поддерживания нашей жизни!”

Георг Агрикола

Нем. мыслитель XVI в

 

За многовековую историю человек научился добывать, выплавлять, обрабатывать множество металлов и среди них – железо (Fe) - главный металл современности, давший название самому значительному и продуктивному периоду в развитии человеческого общества – железному веку!

 

Материаловедение – это наука, изучающая структуру, строение и свойства материалов.

 

Важно! Данный предмет позволяет правильно назначать режимы резания, режимы тепловой и химической обработки, грамотно подбирать режущий инструмент.

I. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Г. – Федоров – гипотеза: «Металлы - есть кристаллы»

Г. – Лауэ – доказал (рентген): «атомы в металлах упорядочены и образуют кристаллические решетки»

Кристаллическая решетка – воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы.

Аллотропия – Fe

 

 

Кристаллизация металлов.

 

 

 

Кристаллизация возможна при выполнении 2-х условий:

1. Наличие центров кристаллизации.

 

2. Возможность роста кристаллов из этих центров.

 

	Чем больше центров, тем мельче кристаллы, тем выше механические свойства Ме.

 

Модификаторы – вещества, вводимые в расплавленный металл для измельчения структуры.

 

Модифицирование- введение в расплав модификаторов.

 

Модифицированный сплав- сплав с измельченной структурой.

 

Важно! Зная процессы кристаллизации, можно придать металлам, как обрабатывающимся, так и инструментальным, необходимые свойства.

Свойства металлов.

 

Группы свойств:

 

 

Физические Химические Механические Технологические Эксплуатационные (служебные)

 

Физические свойства.

(появляются в металле при его «рождении»)

Важно! Процесс резания (а тем более сварки) сопровождается активным тепловыделением. Поэтому знать основные физические свойства необходимо, чтобы избежать поломки инструмента и выхода оборудования из строя.

Химические свойства.

Коррозия Me.

 

 

Способы защиты от коррозии.

1 Создания антикоррозийных сталей путем введения в расплав элементов, образующих тонкие и прочные пленки (Cr = 12¸14%, Ni = 9¸12%, Mn = 10¸14%)

 

2 Нанесение защитных покрытий.

 

а) металлических:

 

v погружением в расплав Me;

v диффузионной металлизацией;

v напылением;

v плакированием;

v гальваническим способом.

 

б)неметаллических:

 

v краской;

v лаком;

v смолой;

v резиной;

v пленкообразующими веществами;

v керамикой.

 

3. Протекторная защита (протектор «-» катод и в агрессивной среде разрушается, защищаемое изделие «+» и не разрушается).

 

4. Ведение ингибиторов - веществ, снижающих скорость коррозии.

Важно! Коррозия – опасный враг металлов. Уметь с ней бороться особенно важно для электрогазосварщиков и станочников, т.к. их работы часто производятся в агрессивных средах.

Механические свойства.

Важно! Без знания механических свойств невозможно работать с металлами. Любой контакт с ними – это механическое воздействие, которое должно учитывать реакцию металла на этот контакт. От этого будет зависеть качество отливки, обработки, сварки.

Способы определения твердости.

Способ Бринелля.	Способ Роквелла.	Способ Виккерса.
Для мягких металлов	Для твердых металлов и металлов после термической обработки	Для закаленных     Для сверхтвердых и тонкостенных металлов

Технологические свойства.

 

Важно! Данные свойства особенно ценны при работе литейщиков, сварщиков и обработчиков металлов давлением.

 

II. Основы теории сплавов.

Сплав – сложное вещество, полученное сплавлением или спеканием двух и более металлов (или Ме + неМе).

В отличие от чистых металлов, сплавы используются в технике чаще, т.к. имеют более высокие прочностные характеристики.

Структура сплава.

Диаграмма состояния «Fe-C».

Диаграмма состояния позволяет определить фазовое состояние железоуглеродистых сплавов, к которым относятся стали и чугуны, в зависимости от температуры и концентрации.

 

Данная диаграмма строилась опытным путем при условиях:

1. нагрев-охлаждение ведется медленно;

2. кроме железа и углерода в сплавах других примесей нет.

 

Сплавляясь, Fe+C могут образовывать:

 

Твердые растворы	Химические соединения	Механические смеси
a-Fe +C= Феррит	3 Fe +C = Fe3C Карбид железа Цементит	Феррит+ Цементит= Перлит
g-Fe+C = Аустенит	Аустенит+ Цементит = Ледебурит

 

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов и их характеристики

 

Структурные составляющие	Прочность, МПа	Пластичность, %	Твердость, НВ	Примечание
Феррит Ф			80-100	Существует только при С ≤ 0,8% и t ≤ 911ºС
Аустенит А	≈0	40-50		Существует только при t >727 º С
Цементит Ц	≈0	≈0		Неустойчив, распадаясь, выделяет графит
Перлит П				Эвтектоид для стали
Ледебурит Л	≈0	≈0	600-700	Образуется только в чугунах при t ≤ 1470º С, эвтектика для чугуна
Графит Г	≈0	≈0	≈3	Это углерод в свободном виде. Образуется при быстром охлаждении. Бывает в виде шариков, хлопьев, пластинок.

Ликвидус ACD (от лат. – НАЧАЛО) - начало первичной кристаллизации

Солидус AECF (от лат. – КОНЕЦ) - конец первичной кристаллизации

Эвтектика – равномерная механическая смесь кристаллов, выделившихся при кристаллизации одновременно. Эвтектика, выделяющаяся из жидкого агрегатного состояния называется эвтектикой (это характерно для чугуна при С=4,3%, называется Ледебурит), из твердого – эвтектоид (характерно для сталей при С=0,8%, называется Перлит)

 

Упрощенная диаграмма «Fe-C»

 

Важно! Знать практическое применение диаграммы железоуглеродистых сплавов профессионально необходимо литейщикам и сварщикам. Именно по данной диаграмме видны внутренние превращения в сплавах, которые влекут за собой изменения в их свойствах. Что в свою очередь сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей, выполненных из этих металлов.

Стали. Металлургия сталей

Сталь = спл. Fe+C, где С<2,14%

 

 

 

Современные способы плавки:

1. Электрошлаковый переплав.
2. Вакуумно – дуговой переплав.
3. Электронно – лучевой переплав.

Классификация сталей.

Виды т/о

 

	Отжиг	Нормализация	Закалка	Отпуск
Опреде- ление	Процесс т/о, заключается в нагреве до определенной t^o, выдержке при этой t^o и медленном охлаждение в печи.	Нагрев на 30-50^0 выше линии GSE, выдержка и охлаждение на воздухе.	Нагрев на 30-50^0 выше линии GSK, выдержка и быстрое охлаждение (в воде или минеральных маслах).	Нагрев до t^o ниже линии PSK, выдержка и охлаждение.
Цель	¯твердости, улучшение обрабатываемости, изменение формы и размера зерна, выравнивание химического состава, снятие внешних напряжений.	­ твердость, ¯вязкость, измельчить структуру.	­ твердость, ­ прочность, ¯ вязкость, ¯ пластичность убираются мелкие ферритные включения, образуется мартенсит.	Более равномерная структура, снижение внешних напряжений, ­ вязкости ­ пластичности.
График

Закаливаемость – способность стали закаливаться на мартенсит.

Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны.

Улучшение – закалка + высокий отпуск.

Естественное старение – отпуск при невысоком нагреве (120^о-150^оС) и выдержка при комнатной температуре более 3^х месяцев.

 

С помощью диаграммы состояния «Fe-C» можно определить температуру нагрева сплава, структурные составляющие и свойства, ожидаемые после т/о.
Химико-термическая обработка сталей (ХТО).

ХТО – совмещенный процесс химического и механического воздействия, заключается в равномерном нагреве и насыщении поверхности металла каким-либо химическим элементом.

Цель – изменение свойств поверхностных слоев без изменения свойств сердцевины.

В основе ХТО лежат 4 процесса:

1. Диссоциация – образование активных атомов в насыщающей среде;

2. Адсорбция – поглощение активных атомов поверхностным слоем металла;

3. Диффузия – проникновение адсорбированных атомов вглубь металла;

4. Образование и рост новой фазы

Виды ХТО.

Наименование	Насыщающий элемент	Приобретенные механические свойства	применение
Цементация	Углерод	Износостойкость, твердость, выносливость при изгибе и кручении.	Детали, работающие при давлении и трении.
Азотирование	Азот	Антикоррозионность, твердость, износостойкость	Детали, требующие устойчивости при морозе
Цианирование (нитроцементация)	Углерод и азот	Стойкость к короблению, износостойкость	Для деталей сложной формы
Борирование	Бор	Стойкость в абразивных средах, высокая твердость, коррозионная стойкость	Для повышения износостойкости деталей нефтяных насосов, штампов и др.
Алитирование	Алюминий	Жаростойкость	Детали разливочных ковшей, чехлы термопар, клапаны
Хромирование	Хром	Окалиностойкость, износостойкость	Детали паровых турбин, насосов и т.п.

 

V. Цветные и твердые сплавы

 

 

Алюминиевые сплавы

Алюминий – второй по применению металл после железа. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы алюминий не нашел применения. Это авто-авиа-космическая отрасль, судоходство и сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность.

Деформируемые	Литейные
Термонеупрочняемые	Термически упрочняемые	Al+Si	Al+Mg
AMn, AMg	Д1-дюрали	Силумины АЛ 1..10	АЛ 12..22

 

 

Медные сплавы

Медь применяется в электропромышленности и энергетике как незаменимый проводник тока, также как конструкционный материал в сплавах с цинком, никелем, оловом, свинцом и т.д.

Латуни (Cu+Zn+…)	Бронзы (Cu+…)	Cu+Ni+…
ЛАЖМц 66-6-3-2 Cu-66% Al-6% Fe-3% Mn-2% Zn-23% (ост.) Свойства: высокая прочность, хорошая обрабатываемость.	БрОЦСН 3-7-5-1 Sn-3% Zn-7% Pb-5% Ni-1% Cu-84% Свойства: высокая антикоррозионность, жидкотекучесть, антифрикционность.	Нейзильбер Мельхиор Куниаль Копель Манганин Константан

 

Титановые сплавы Титан – широко распространенный металл для авиа - и ракетостроения, в хирургии и химической промышленности.	Магниевые сплавы Магний – основной пиротехнический металл, широко применяющийся в военной технике для трассирующих пуль и снарядов, в ракетной технике. Широко используется как модификатор чугунов и сталей
ВТ1, ВТ2 – низкопрочные ВТ3-ВТ5 – средней прочности ВТ6-ВТ15 – высокой прочности ТВ5Л – сплав тит. линейный	Литейные МЛ - № (условный номер сплава)	Деформируемые МА - № (условный номер сплава)

Припои

Припой – сплав легкоплавких металлов, таких как олово, цинк, свинец.

Применяется как присадочный материал для паяния деталей в пищевой, медицинской, радиотехнической и электротехнической промышленностях.

Легкоплавкий (t^0=145-450^0C)	Среднеплавкий (450-1100^0С)	Тугоплавкий (1100-1350^0С)
ПОС-90, ПОСву-50-0,5 О – олово С – свинец Су – Сурьма	Медно-цинковые (латуни) ПМЦ-36	Припои на основе железа

Антифрикционные сплавы

Баббиты – Б88, БС6, БК2

Бронзы – БрОЦС-5-5-5

Латуни – ЛМцХ 52-4-1

Чугун – АЧС, АЧ8, АЧК

Металлографит – бронзографит, железографит

Применяются для повышения долговечности трущихся поверхностей

Твердые сплавы

Литые твердосплавы – это сплавы получаемые путем расплавления шихты в электропечах. Заливая расплав в формы, получают стержни диаметром 5-10 мм и длиной 300-400 мм, электроды, монолиты - заготовки для деталей и порошки.

Магнитные сплавы Fe+Ni+Al, а также Cu, Co, Ti.	Конструкционные сплавы	Наплавочные материалы	Литые электродные сплавы
ЮНД-8, ЮНДК35К5	Сталинит Cr Mn C Si Fe	Стеллит Чугун+ферромарганец+Si или W+Cr+Co Сормайт (заменитель стеллита)	Т540, Т600 Релит (сплав на основе карбида титана)
Для производства постоянных магнитов		Выпускают в виде прутков и электродов	Выпускают в виде стержней и стальных трубок, заполненных дробленой крупкой

 

Спеченные твердосплавы – сплавы на основе тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, спеченных с металлическим кобальтом

Вольфрамовая группа	Вольфрамо-титановая группа	Вольфрамо-титано-танталовая группа
WC+Co	WC+TiC+Co	WC+TiC+TaC+Co
ВК	ТК	ТТК
ВК6-М	Т7К12	ТТ5К10
WC=94% Co=6% М – мелкое зерно	WC=81% TiC=7% Co=12%	WC=85% TiC+TaC=5% Co=10%
Выпускают в виде пластин, которыми оснащают режущий и штамповый инструмент для обработки чугуна, бронз, фарфора, стекла, буров для геологоразведочных машин.	Используется для оснащения режущего инструмента получернового и чернового резания, в том числе с ударами и при тяжелых условия работы.	Используется для оснащения режущего инструмента чернового и чистового точения, фрезерования высокопрочных и легированных сталей, чугунных отливок.

 

 

Новейшие материалы

Дисперсно-упрочняемые карбидостали	Состоят из металлической матрицы и мелких связующих карбидов. По жаропрочности и жаростойкости превосходят многие стали и спец.сплавы.
Керметы	Близки к карбидосталям. Очень износостойки и по режущим свойствам превосходят быстрорезы.
Волокнистые и слоистые композиты	Магнитные подшипники, гистерезисные электродвигатели и транспорт на магнитной подушке.
Эвтектические композиты (композиты 2-го поколения)	Высокая прочность при очень высоких температурах (н-р, газотурбинные двигатели)
мсонокристаллы	Однородные кристаллы с непрерывной кристаллической решеткой. Для авиации, лазерной, газотурбинной техники, оптики.
Металлические стекла (аморфные материалы)	Это новый класс металлов, у которых нет крист. решеток. Обладают высокой прочностью (до 5000 МПа), твердостью, повышенным электросопротивлением.
Ультрадисперсные материалы (УДМ)	Это наноматериалы для электроники, термоядерной техники в качестве добавок к моторным маслам. С их использованием изготавливают самолеты-невидимки «Стелс», графитовые бомбы, суперброню танков и бронежилетов, лекарства быстрого усвоения.
Интерметаллиды	Сохраняют кристаллическую структуру вплоть до Т^о пл, по свойствам занимают промежуточное положение между металлами и керамикой
Синтегран	Неметалл с высокими механическими свойствами, заменитель стали для изготовления корпусов, валов, ступиц, зубчатых колес идр.

Литература

 

1. Основы материаловедения (металлообработка) под ред. В.Н. Заплатина, М., издательский центр «Академия», 2013. - 270с.

2. Соколова Е.Н. «Материаловедение: контрольные вопросы», М., Издательский центр «Академия», 2013.

3. Соколова Е.Н., Борисова А.О., Давыденко Л.В. «Материаловедение: лабораторный практикум», М., Издательский центр «Академия», 2012.

 

Интернет-ресурсы

1. Министерство образования и науки РФ www.mon.gov.ru

2. Российский образовательный портал www.edu.ru

3. Единое окно допуска к образовательным ресурсам - www.window.edu.ru/window

4. Федеральный центр информационно-образовательных ресурсов- eor.edu.ru

5. Электронно-библиотечная система www.iprbookshop.ru

6. Соколова Е.Н. «Материаловедение», М., Издательский центр «Академия», ЭУ, 2013.

 

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Введение.
2.	Металлы и их строение.
3.	Кристаллизация металлов.
4.	Структура металлов.
5.	Физические свойства.
6.	Химические свойства. Коррозия Ме.
7.	Способы защиты от коррозии.
8.	Механические свойства.
9.	Способы определения твердости.
10.	Технологические свойства.
11.	Основные сведения о сплавах.
12.	Диаграммы состояния.
13.	Диаграмма состояния сплавов «Fe-C».
14.	Чугун.
15.	Влияние примесей на свойства чугунов.
16.	Металлургия стали.
17.	Классификация сталей.
18.	Влияние углерода и примесей на свойства сталей.
19.	Влияние легирующих элементов.
20.	Единый алгоритм для расшифровки сталей.
21.	Термическая обработка сталей.
22.	Виды т/о.
23.	Химико-термическая обработка сталей (ХТО).
24.	Термомеханическая обработка сталей (Т/МО)
25.	Цветные металлы и их сплавы
26.	Литература

 

Материаловедение

в таблицах и схемах

________________________

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

(для металлообрабатывающих профессий)

Г.

Гинц Л.П., Манакова Г.И.,

Учебное пособие по материаловедению. – Набережные Челны, 2015 г. – 28 с.

 

 

Рецензент: Степанова Н.П. - кандидат педагогических наук ГАПОУ «Политехнический колледж им. Л.Б.Васильева» г. Набережные Челны

 

Учебное пособие позволяет оказать помощь студентам в освоении материала по дисциплинам «Материаловедение», «Основы материаловедения».

 

Материал представлен в виде схем, таблиц и опорно-логических конспектов, что способствует более глубокому усвоению учебного материала. В пособии рассмотрены основные конструкционные и инструментальные металлы и их сплавы. Дана информация об их строении, свойствах, областях применения. Особое внимание уделено важности изучения каждой конкретной темы.

Для студентов СПО по укрупненной группе профессий 150000 Металлургия, машиностроение и материалообработка.

Пособие прошло апробацию в ГАПОУ «Набережночелнинский политехнический колледж» города Набережные Челны.

 

 

 

Введение.

 

”Человечество не может жить без металлов, если бы не было металлов, люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей. Они вернулись бы к желудям и лесным яблокам и грушам, питались бы травами и кореньями, когтями выгребали бы себе логовища, чтобы лежать в них ночью, а днем бродили бы там и сям по лесам и полям, подобно зверям. Поскольку такой образ жизни совершенно недостоин человеческого разума, самого лучшего дара природы, то неужели кто-либо окажется столь глуп и упрям, чтобы не согласиться, что металлы необходимы для пропитания и одежды, и что они вообще служат для поддерживания нашей жизни!”

Георг Агрикола

Нем. мыслитель XVI в

 

За многовековую историю человек научился добывать, выплавлять, обрабатывать множество металлов и среди них – железо (Fe) - главный металл современности, давший название самому значительному и продуктивному периоду в развитии человеческого общества – железному веку!

 

Материаловедение – это наука, изучающая структуру, строение и свойства материалов.

 

Важно! Данный предмет позволяет правильно назначать режимы резания, режимы тепловой и химической обработки, грамотно подбирать режущий инструмент.

I. Атомно-кристаллическое строение металлов.

г. – Федоров – гипотеза: «Металлы - есть кристаллы»