Вопрос №2. Металлы
Металлы – один из классов конструкционных
материалов, характеризующийся определенным
набором свойств: «металлический блеск»
(хорошая отражательная способность),
пластичность, высокая теплопроводность
и электропроводность. Наличие этих свойств
и характеризует так называемое металлическое
состояние веществ.
Металл представляет собой
вещество, состоящее из положительных
ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются
электроны. На последнем уровне число
электронов невелико и они слабо связаны
с ядром. Эти электроны имеют возможность
перемещаться по всему объему металла,
т.е. принадлежать целой совокупности
атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность
и электропроводность обеспечиваются
наличием «электронного газа».
Чистые металлы в обычном состоянии
обладают низкой прочностью, поэтому они
применяются редко, чаще всего применяются
сплавы. Сплавы получают сплавлением или
спеканием порошков двух и более металлов
или металлов с неметаллами. Химические
элементы, образующие сплав, называют
компонентами. Сплав может состоять из
двух и более компонентов.
Все металлы, затвердевающие
в нормальных условиях, представляют собой
кристаллические вещества, то есть укладка
атомов в них характеризуется определенным
порядком – периодичностью, как по различным
направлениям, так и по различным плоскостям.
Этот порядок определяется понятием кристаллическая
решетка.
Другими словами, кристаллическая
решетка это воображаемая пространственная
решетка, в узлах которой располагаются
частицы, образующие твердое тело.
^ Элементарная ячейка – элемент объема из минимального
числа атомов, многократным переносом
которого в пространстве можно построить
весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует
особенности строения кристалла. Основными
параметрами кристалла являются:
· размеры ребер элементарной
ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния
между центрами ближайших атомов. В одном
направлении выдерживаются строго определенными.
· углы между осями (
). Рис.1.Схема кристаллической
решетки
· координационное число (К) указывает
на число атомов, расположенных на ближайшем
одинаковом расстоянии от любого атома
в решетке.
· базис решетки количество атомов,
приходящихся на одну элементарную ячейку
решетки.
· плотность упаковки атомов
в кристаллической решетке – объем, занятый
атомами, которые условно рассматриваются
как жесткие шары. Ее определяют как отношение
объема, занятого атомами к объему ячейки
(для объемно-центрированной кубической
решетки – 0,68, для гранецентрированной
кубической решетки – 0,74).
Классификация возможных видов
кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве,
соответственно они получили название
«решетки Браве». Всего для кристаллических
тел существует четырнадцать видов решеток,
разбитых на четыре типа;
· примитивный – узлы решетки
совпадают с вершинами элементарных ячеек;
· базоцентрированный–атомы
занимают вершины ячеек и два места в противоположных
гранях;
· объемно-центрированный –
атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
· гранецентрированный – атомы
занимают вершины ячейки и центры всех
шести граней.
Рис.2. Основные типы кристаллических
решеток: а–объемно-центрированная кубическая;
б–гранецентрированная кубическая; в–гексагональная
плотноупакованная.
Вопрос №12. Методы
исследования металлов
Внутреннее строение, или структуру,
металлов и их дефекты изучают с помощью
макроструктурного, микроструктурного,
магнитного, люминесцентного, ультразвукового,
рентгеновского и γ-дефектоскопического
методов анализа.
Макроструктура — это строение
металла, видимое невооруженным глазом
или при небольшом увеличении с помощью
лупы. Макроструктурный анализ используют
для выявления формы и расположения зерен
в литом металле, направления волокон
в поковках и штамповках, местонахождения,
размеров и форм нарушения сплошности,
дефектов сварки, оценки толщины поверхностного
слоя в изделиях, подвергнутых специальной
поверхностной обработке, и др. Его осуществляют
просмотром отшлифованной, отполированной
и протравленной поверхности металлического
изделия или макрошлифа (вырезанного из
заготовки или металлоизделия темплета),
поверхность которого шлифуют и протравливают.
|
Рис. 3. Макроструктура крюка железнодорожного
вагона:
а) изготовлен неправильно б) изготовлен правильно
|
Микроструктурный анализ
— это исследование структуры
металлов и сплавов с помощью
микроскопов с увеличением от
1500 до 100000. Его осуществляют посредством
изучения микрошлифов — вырезанных
из металлоизделия или заготовки
образцов, поверхность которых шлифуют,
полируют и подвергают травлению
специальными реактивами. При использовании
электронных микроскопов рассматривают
тонкий прозрачный слепок с
микрошлифа — фольгу, или реплику.
Рис.4.Микроструктура
сплава железа с хромом и никелем, наблюдаемая
с помощью электронного микроскопа. Крупные
тёмные выделения образовались при высокой
температуре. Мелкие выделения, возникшие
при низкой температуре, не видны, но обнаруживаются
благодаря вызванным ими искажениям решётки
(область искажений имеет вид кофейного
зерна).
В последнее время для исследования
структуры и свойств металлов широко применяются
методы фрактографии, позволяющие исследовать
строение изломов, т. е. поверхностей, образующихся
в результате разрушения металлоизделий
или заготовок. Изломы изучают посредством
макро- и микроструктурного анализа.
Магнитный метод (магнитная
дефектоскопия) применяется для выявления
трещин, волосовин, раковин и других дефектов,
находящихся на поверхности (или близко
около нее) изделий из ферромагнитных
материалов. Сущность метода заключается
в намагничивании изделия. Затем на поверхность
наносится магнитный порошок окиси железа
или его суспензия в керосине. Частицы
порошка под действием магнитного потока,
рассеивающегося в месте расположения
дефекта, ориентируются по силовым линиям.
В результате отчетливо выделяются даже
самые мелкие дефекты.
Люминесцентный метод (люминесцентная
дефектоскопия) используется для выявления
поверхностных дефектов изделий (микротрещин).
Он основывается на свойстве некоторых
органических веществ светиться под действием
ультрафиолетовых лучей. Сущность метода
заключается в нанесении на поверхность
изделия специального флуоресцирующего
раствора и ее освещении ультрафиолетовым
светом. Проникающий в микротрещины раствор
под действием лучей светится, тем самым
позволяя их выявить.
С помощью ультразвукового
метода (ультразвуковая дефектоскопия)
выявляют дефекты, расположенные глубоко
в толще металла. Для этого используются
ультразвуковые дефектоскопы, с помощью
которых через толщу металла пропускают
пучок ультразвуковых волн и контролируют
их прохождение. Любая несплошность металла
нарушает нормальное распространение
волн, что можно увидеть на экране имеющегося
в приборе осциллографа.
Рентгеновский метод (рентгеновская
дефектоскопия) применяется для контроля
литых, кованых и штампованных деталей,
а также сварных соединений. Он заключается
в просвечивании деталей рентгеновским
излучением и фиксировании выходящего
излучения на специальной светочувствительной
пленке. При этом темные места на пленке
свидетельствуют о наличии дефектов в
исследуемых деталях.
Вопрос №22. Превращение
перлита в аустенит
При нагреве зерно растет. Действительное зерно аустенита –
это зерно, полученное при данной температуре,
его размер зависит от температуры нагрева,
времени выдержки и наследственности
стали. Стали наследственно крупнозернистые (НКЗ)
при производстве раскислены марганцем.
При нагреве рост зерна в них начинается
сразу выше АС1. Стали наследственно мелкозернистые (НМЗ)
раскислены марганцем, кремнием и алюминием.
Нитрид алюминия AlN, располагаясь по границам
зёрен, тормозит их рост. При нагреве до
1000-1100˚С зерно растёт незначительно, но
при более высоких температурах частицы
AlN растворяются в аустените, и зерна аустенита
резко растут. При последующем охлаждении
размер действительного зерна сохраняется,
независимо от протекающих фазовых превращений.
Перегрев стали – это нагрев до температур, значительно
превышающих температуры фазовых превращений
(1000…1100˚С), в результате чего формируется
крупнозернистая структура, ухудшаются
механические свойства стали. Перегрев
можно исправить повторным нагревом до
температур, немного выше температуры
фазовых превращений (Ас3 или Асm).
Нагрев до ещё более высоких температур
в окислительной атмосфере, вызывает пережог стали. Происходит образование оксидов
железа по границам зерен, резко повышается
хрупкость. Пережог неисправим.
при 727°С, оно всегда мелкое.
Рис.5 Схема роста аустенитного зерна
при нагреве: НМЗ – наследственно мелкозернистая
сталь, НКЗ – наследственно крупнозернистая
Использованная литература:
1.Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева .
Материаловедение для вузов// машиностроение
1990.-522с.
2.Бунин К. П., Баранов А. А. Металлография.// Металлургия,
1970.-256с.
3.
Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы.
3-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия,
1982.-400 с.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________