Шпаргалка по "Материаловедению"

1.Методы исследования  макро, микро и тонкой структуры  металлов.

Под структурой понимают внутреннее строение металла. Структуру металла  делят на макроструктуру и микроструктуру. Макроструктура – это строение металла видимое невооруженным глазом или при не большом увеличении. Макроструктура изучается без увеличения или при небольшом увеличении.(лупа)  Макроструктуру можно исследовать по методике излома и на специальных макрошлифах. Изучение излома – это методика для определения переднего фронта вязкой трещины. В отличие от аморфного тела(стекло, сажа, уголь), кристаллическое тело имеет зернистый излом. По излому определяют о размере зерна, особенностям выплавки и литья (температура литья, скорость и равномерность охлаждения), термической обработки, а, следовательно, свойствах металла. Крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению, для определения  трещин. При изучении макроструктуры на специальных макрошлефах образцы вырезают из крупных заготовок или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами. Действие реактивов основано на их способности окрашивать и растворять различные составляющие сплавов, также выявлять микро пустоты, трещины по измерениям мезогеометрии излома.

При исследовании макрошлефа можно определить расположение зерен в литом металле; дефекты, нарушающие оплошность металла, а это усадочная рыхлость газовые пузыри, трещины.

Вязкое разрушение можно  заметить и предотвратить (предшествует пластическое).

Хрупкое разрушение происходит мгновенно, нельзя предотвратить.

Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму  и размеры. Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют  микро шлиф, т. е. не большой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Микроструктуру металлов наблюдают в оптическом металлографическом(световом) микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривается в отраженном свете в настоящее время применяется прямой метод исследования трещин на просвет. В этом случае исследуют трещины, их образцы, приготовленные из массивных образцов и прозрачных для электронов. Для изучения металлов применяют электронный микроскоп. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.

Выявление микроструктуры при травлении  основано на том, что различные фазы протравливаются, не одинаково и  поэтому окрашиваются по-разному.

Характеристики микроскопа:

1. Кратность увеличения
2. Разрешающая способность-наименьшее расстояние между двумя точками, которые видны раздельно и не сливаются в одну точку.

Электронные микроскопы хоть и дорогие, но лучше, имеют больше разрешающую способность

Тонкая структура изучает атомно-кристаллическое  строение. Исследуется с помощью  рентгеновских лучей (рентгеноструктурный  анализ). Можно определить тип кристаллической  решетки, расстояние между атомами, величину внутренних напряжений.

2.Свойства металлов и  сплавов: технологические, физические, химические.

Физические свойства- характерное поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и других полях.                                                                                                                    1.Плотность. Количество вещества, содержащееся в единице объема, называют плотностью. Плотность металла может изменяться в зависимости от способа его производства и характера обработки.                                                                       2.Температура плавления. Температуру, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое, называют температурой плавления. Каждый металл или сплав имеет свою температуру плавления. Знание температуры плавления металлов помогает правильно вести тепловые процессы при термической обработке металлов.                                      3.Теплопроводность. Способность тел передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым называют теплопроводностью. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см², длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.                                                                               4.Тепловое расширение. Нагревание металла до определенной температуры вызывает его расширение.  Коэффициент теплового расширения — величина, характеризующая относительную величину изменения объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении. В соответствии с этим различают:

Коэффициент объёмного  теплового расширения

, К ⁻¹ (°C⁻¹) — относительное изменение объёма тела при нагревании его на градусов при постоянном давлении,

Коэффициент линейного  теплового расширения(для твёрдых тел)Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру ΔT:

Коэффициент объемного расширения, как правило, в 3 раза больше коэффициента линейного расширения, т.е. р = 3а. Эти величины учитываются в            конкретных производственных ситуациях                                                                                                                                                                5.Удельная теплоемкость. Количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1г вещества на 1°С, называют удельной теплоемкостью. Металлы по сравнению с другими веществами обладают меньшей теплоемкостью, поэтому их нагревают без больших затрат тепла.                                                                                             6.Электропроводность. Способность металлов проводить электрический ток называют электропроводностью. Основной величиной, характеризующей электрические свойства металла, является удельное электросопротивление ρ, т. е. сопротивление, которое оказывает току проволока из данного металла длиной 1м и сечением 1мм². Оно определяется в омах. Большинство металлов обладает высокой электропроводностью, например серебро, медь и алюминий. С повышением температуры электропроводность уменьшается, а с понижением увеличивается.                                                                                                                                 7.Удельный вес. Удельным весом вещества называется вес вещества, содержащегося в единице объема. Удельный вес является относительной величиной.

Чтобы определить удельный вес  вещества (d), следует плотность исследуемого вещества (D) умножить на ускорение воды свободного падения (g) по формуле: d = Dg.

Все вещества имеют определенный удельный вес. По удельному весу можно  определить вид материала, судить о  его некоторых качествах.

Технологические свойства – характерная способность материала получать из него изделие тем или иным способом, способностью поддаваться различным методам горячей и холодной обработки (легко плавиться и заполнять форму, коваться, свариваться, обрабатываться режущими инструментами и т. д.).                                                                                Способы получения изделия: Закаливание, сварка., обработка давлением (ковка, штамповка, прокат, прессование, волочение), литье, механическая обработка (вытачивание, обрезка, сверление, шлифование, точение, фрезерование).

Закаливание - технологическая обработка для повышения прочности.                                   Закалка -термическая обработка ,заключается в нагревании стали до температуры выше критической (8000С),выдержке и последующим охлаждением со скоростью , превышающую критическую и последующим и последующем охлаждении со скоростью ,превышающей критическую

Свариваемость – свойство металла давать прочные сварные соединения. Способность металлов свариваться является важной характеристикой, определяющей принципиальную возможность образования сварного соединения.  Основными показателями свариваемости металлов и их сплавов являются окисляемость металла в условиях сварки, сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин, чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, к образованию пор, соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям. Три группы факторов, определяющих свариваемость:

1.Химический состав и  структура металла, наличие примесей.2.Сложность  формы и жесткость конструкции,  масса и толщина металла, последовательность  выполнения сварных швов.3.Технологический  фактор: вид сварки и сварочные  материалы, режимы термических  воздействий на основной материал.                                                                                                                              Резание - свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.                                                                                                      Ковкость-способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.д.) Ковкость металла зависит от его пластичности. Пластичные металлы обычно обладают и хорошей ковкостью.                                                                                                                                         
Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью - способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления. Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью (чугун). Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Усадкой металла называется сокращение объема расплавленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры. Линейная усадка – уменьшается размер, объемная усадка=3линейным усадкам. 
Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.                                                                                                                                       К химическим свойствам металлов относятся: окисляемость, растворяемость и коррозийная стойкость. Все перечисленные свойства важны для выбора литейных сплавов, применяемых для отливок деталей, работающих в окислительных средах (колосниковые решетки печей, насосы для перекачивания кислот и т. п.).                                                                                                   Коррозионная стойкость- способность металла сопротивляться химическому или электрохимическому разрушению его во внешней влажной среде под действием химических реактивов и при повышенных температурах. Чисто химическая коррозия определяется главным образом окислением, электрохимическая коррозия возникает из-за физико-химической неоднородности металлов в присутствии жидкости, способной проводить электрический ток.                                                                                                                    Растворимость-это  способность вещества растворятся в том или ином растворителе. Металлы растворяются в сильных кислотах и едких щелочах.В промышленном производстве наиболее часто употребляется серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи - едкий натр и едкое кали.Растворение может быть частичным, затрагивающим только поверхностные слои, или полным, когда металл полностью переходит в раствор.Частичное растворение происходит, например, при травлении изделий для получения гладкой поверхности или для нанесения рисунка на изделие, полное - при растворении цинка в соляной кислоте в целях получения флюса для пайки.                                                                                                                                                   Окисляемость. Она характеризует способность металлов соединяться с кислородом и образовывать оксиды. В ряде случаев образование прочной оксидной пленки на поверхности изделия желательно, так как пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. При пайке и сварке алюминиевых сплавов пленка препятствует соприкосновению припоя с чистой поверхностью металла.

3. Механические  свойства металлов.                                                           Механические свойства -  способность материала сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием различных нагрузок. Св-ва: твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость. 
1.Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла. 
Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. 
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA. 
Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ. 
Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB. 
2.Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил. 
Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении( должна быть разрывная машина и стандартный образец в виде гантели)Во время испытания машина строит график-диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения материала

σ , где      σ-напряжение,возникающее в теле, Р - нагрузка(сила),F – площадь поперечного сеченияПроисходит деформация Δl                                                                                             

  Деформация - это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация - это  деформация, которая исчезает после  снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в  свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое  смещение атомов.             Пластическая деформация- это деформация, которая остается после снятия нагрузки. Прочность характеризуется пределом текучести и пределом прочности.                                                                                             Предел текучести (σ_т )характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. При напряжении ниже предела текучести деформация будет упругой, при напряжении выше предела текучести деформация пластическая                                                                                                           Предел прочности σ_в – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).                                                                                       Напряжение измеряется в Па, предпочтительнее МПа.                                                                         3.Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Определяется испытанием на растяжение.