Порошковые конструкционные материалы
Создание порошковых спеченных материалов обусловлено высокой экономичностью получения изделий методами порошковой металлургии, исключающими необходимость использования в технологическом процессе крупномасштабных пирометаллургических процессов, поскольку получение металлических порошков возможно методами высокоэффективных гидрометаллургических процессов, либо методами восстановления из окислов, в том числе и непосредственно из руд или концентратов.
Чаще всего порошки производят химически восстановлением из окислов или солей, электролизом хлоридных расплавов и водных растворов азотнокислых, сернокислых и других солей металлов, разложением при нагреве карбонилов Мх(СО)у и др., а также механическими методами, например, распылением потоком воздуха или аргона струи расплава металла или сплава, а также измельчением в мельницах. В ряде случаев порошки получают методами плазмохимии, методами распыления взрывом и другими технологическими приемами с использованием высококонцентрированных источников энергии.
Для получения изделий из металлических порошков, их смешивают в заданных пропорциях с другими порошковыми компонентами, спрессовывают в холодном или горячем состоянии в виде брикетов, для формирования требуемой формы изделий или полуфабрикатов. Спрессованные брикеты подвергают спеканию при температурно-временных условиях, обеспечивающих создание монолитного состояния материала, с той или иной заданной плотностью и пористостью готового изделия.
Температура спекания заготовок и изделий, изготовленных из порошков одного металла, должна составлять 0,75...0,9 от температуры плавления металла. Температура спекания изделий из железного порошка, например, составляет 1100 - 1200 ºС, температура спекания меди 840 - 890 ºС. В том случае, если в составе материала содержится легкоплавкая составляющая, температура спекания выбирается выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Например, порошки, содержащие медь и олово, спекают при температуре 700 - 800 ºС. В этом случае улучшаются условия спекания, поскольку оно происходит через образование жидких прослоек, которые вслед за оплавлением, самопроизвольно кристаллизуются в изотермических условиях за счет диффузионного обмена компонентами между жидкой и твердой фазой. В том случае, если спекание осуществляется при температурах, не превышающих температуры плавления спекаемых материалов, взаимодействие частиц между собой происходит исключительно по механизмам твердофазной диффузии, которая может сопровождаться рекристаллизационными объединяющими процессами с формированием твердых растворов, или реакционной диффузией компонентов, с образованием на межчастичных поверхностях единых структурных образований, в том числе, химических соединений или промежуточных фаз.
В ряде случаев после спекания изделие может дополнительно подвергаться обработке давлением (ковке, штамповке, прессованию, экструдированию, горячему и холодному волочению), что позволяет изготавливать из порошковых материалов изделия и полуфабрикаты широкой размерной номенклатуры. Для упрочнения изделия из порошков могут подвергаться дополнительной химико-термической и термической обработке, например, цементации, азотированию, хромированию, закалке, отпуску и др.
Наиболее широко распространенными материалами, изготовленными методами порошковой металлургии, являются: металлокерамические инструментальные твердые сплавы; антифрикционные сплавы; фрикционные материалы; пористые материалы для фильтров и деталей охлаждения; материалы для конструкционных деталей машиностроения; магнитные материалы; электротехнические, в том числе, электроконтактные материалы; материалы для работы в условиях высоких температур.
Металлокерамические инструментальные твердые сплавы нами были рассмотрены выше в разделе инструментальных сталей и сплавов. Это - сплавы типа ВК, ТК и ТТК с высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью в условиях резания (ГОСТ 3882-74).
Антифрикционные порошковые материалы изготавливают на основе железных, медных (бронзовых), алюминиевых порошков с добавлением небольшого количества графита или сульфидов в дисперсном состоянии (таблица 9.1). Графит и сульфиды снижают коэффициент трения, уменьшают износ, предохраняют детали от схватывания трущихся поверхностей и играют роль смазки в условиях сухого трения.
Таблица 9.1. Химический состав и механические свойства некоторых антифрикционных и фрикционных порошковых материалов
| Марка материала | Содержание элементов,% | Механические свойства | ||||||
| Fe | Графит | Cu | Sn | Другие | σв,МПа | δ,% | ||
| Антифрикционные материалы на железной основе*) | ||||||||
| ЖГр-1 | - | - | - | 100-180 | 50-100 | |||
| ЖГр-3 | - | - | - | 50-120 | ||||
| ЖГр-7 | - | - | - | 200-350 | 50-125 | |||
| ЖГр-2Д2,5 | 95,5 | - | - | 2,5 сульфидов | 200-300 | 50-125 | ||
| ЖГр-2Д10 | 88,2 | 1,8 | - | - | 10 сульфидов | - | - | |
| Антифрикционные материалы на медной основе**) | ||||||||
| БроГр-10-2 | - | - | 100-180 | 18-40 | ||||
| БроГр-8-4 | - | - | 100-180 | 18-40 | ||||
| Свинцовая ьронза | - | - | 70-72 | 0-15 | 10,5-30 | 250-300 | 5-6 | |
| Фрикционные материалы | ||||||||
| ФМК-11 | Ост | - | 6 барита 5 В4С 3 FeS2 | 35-45 | 65-110 | |||
| МКВ-50 | Ост | - | 5 SiC 3 асбест 5 барит | 30-40 | 80-120 | |||
| МК-5 | Ост | 8 Pb | - | 25-40 | ||||
| *) Коэффициент трения по стали всухую и со смазкой 00,7-0,09. Железографит используют при рабочем давлении не более 100-150 МПа и при температуре 80 - 100 ºС. Структура железографита - перлит. **) Коэффициент трения бронзографита по стали всухую 0,04 - 0,07 и со смазкой 0,05 - 0,007 | ||||||||
Антифрикционные материалы получают по режимам прессования и спекания, обеспечивающим получение пористости 10 - 25 %, которая предназначена для заполнения маслом или иными смазочными материалами. В некоторых случаях пористые материалы на основе меди (бронзы) подвергают пропитке фторопластом, который позволяет использовать такой металлофторопластовый материал в качестве подшипников, способных работать на трение при больших давлениях, в широком диапазоне температур, высокой частоте вращения и при отсутствии дополнительной смазки.
В противоположность антифрикционным материалам по их поведению в условиях трения, методами порошковой металлургии получают фрикционные материалы, предназначенные для изготовления фрикционных дисков и сегментов в тормозных узлах. Фрикционные материалы должны обладать высоким коэффициентом трения и, одновременно, быть износостойкими. Это достигается введением в металлическую основу (в железный порошок) металлических (меди, свинца, олова) и неметаллических добавок (графита, кремнезема, асбеста, сернокислого бария - барита).
Асбест и кремнезем обеспечивают высокий коэффициент трения, графит предохраняет от истирания, медь придает высокую теплопроводность, свинец предохраняет от интенсивного перегрева, и способствует плавному торможению, сернокислый барий устраняет прилипаемость трущихся поверхностей. Коэффициент сухого трения материала на железной основе по чугуну составляет 0,3 - 0,45, допустимая температура 550 ºС. Прочность материала невелика, поэтому его используют в виде слоев толщиной 0,2 - 10 мм на стальной подложке.
Высокопористые материалы применяются для изготовления фильтров. Металлические фильтры изготавливают из порошков, стойких против окисления (бронза, латунь, коррозионно-стойкая сталь, никель, титан, нихром и др.). Пористость металлических фильтров 40 - 60 % и выше. Прессование в этом случае не производят, а спеканию подвергают порошок, свободно засыпанный в форму. Для сохранения пор при спекании и для их увеличения в порошок вводят добавки, которые не сплавляются с основным материалом или улетучиваются при спекании под действием высоких температур.
Порошковые материалы с высокой степенью пористости используют для деталей, требующих интенсивного охлаждения. Пористые материалы характеризуются высокой удельной поверхностью теплоотвода, в связи с чем, при пропускании охлаждающей жидкости через поры происходит ее испарение, при котором отбирается очень большое количество теплоты. Подбирая соответствующие хладагенты, имеющие низкую температуру кипения, можно существенно ускорить процесс отбора тепла от нагревающегося оборудования. Пористые материалы широко используются для охлаждения газовых турбин, реактивных двигателей.
При серийном изготовлении большого количества слабо нагруженных деталей машиностроения (втулки, кулачки, крышки, фланцы, корпуса подшипников, рычаги) целесообразно применение порошковой металлургии. После прессования и спекания такие детали не подвергаются механической обработке. В ряде случаев порошковые детали из порошков углеродистых и легированных сталей, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана могут не уступать по свойствам изделиям, полученным обычными способами. Порошковая металлургия позволяет повысить коэффициент использования металлов до 0,7 - 0,9, поднять производительность труда и снизить себестоимость деталей, несмотря на высокую стоимость порошков.
Изготовление быстрорежущего инструмента методом порошковой металлургии взамен традиционных методов (из прутка) дает возможность увеличить коэффициент использования металла на 20 - 30 % и в 2 - 3 раза повысить стойкость инструмента.
Магнитные порошковые материалы на основе порошков алюминия, никеля, кобальта и меди имеют прочность в 3 раза выше, чем литые сплавы, что достигается на основе высокой степени дисперсности структурных составляющих в порошковых материалах. Высококачественным магнитным материалом является тонкий порошок чистого железа, получаемого электрохимическим методом из растворов, а также путем термической диссоциации карбонильного железа.
Широкое применение находят ферриты на основе ферромагнитных оксидов железа, никеля и других компонентов, используемые в качестве антенных материалов, сердечников высокочастотных трансформаторов и в вычислительной технике.
Широкое применение порошковые материалы находят в электротехнике для изготовления подвижных электроконтактов (щеток) электрических машин, а также для контактных пластин коммутирующей аппаратуры (выключатели, контакторы и др.). Большинство таких изделий изготавливают методами порошковой металлургии на основе порошков серебра и никеля, вольфрама, молибдена и меди.
Для работы при высоких температурах применяют металлокерамические сплавы из порошков карбидов титана, ниобия и тантала, борида титана, оксида алюминия и других тугоплавких химических соединений металлов. Технология получения таких материалов требует применения очень высоких температур спекания (до 2500 ºС). При этом они характеризуются высокой работоспособностью вплоть до 1000 ºС с удельными нагрузками до 85 МПа в течение 100 часов. После 300 часов работы толщина оксидной пленки не превышает 0,05 мм. Однако такие материалы характеризуются повышенной хрупкостью, имеют высокую чувствительность к надрезам, и к ударным нагрузкам.
Неметаллические материалы
Основным типом неметаллических материалов, широко используемых в машиностроении и других отраслях промышленности, являются пластические массы (пластмассы).
Пластическими массами называют такие искусственные материалы, которые получают на основе органических полимерных связующих веществ с различными наполнителями.
В качестве связующих при получении пластмасс используют синтетические или природные высокомолекулярные соединения, в том числе синтетические смолы, высокомолекулярные соединения или продукты их переработки, например, эфиры целлюлозы, битумы и др.
Смолы, используемые для изготовления пластмасс, могут быть термореактивными или термопластичными, что и определяет их основные технологические и эксплуатационные свойства.
Многие пластмассы (преимущественно, термопластичные) состоят из одного связующего вещества. К таким материалам относится полиэтилен, полистирол, полиамиды, органические стекла, капрон и др. Особенностью термопластичных материалов является их способность размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Причем эти процессы протекают обратимо и происходят одинаково при каждом цикле нагрева и охлаждения. Строение материала при этом не изменяется, в нем не происходит никаких химических реакций.
Термопластичные материалы характеризуются малой плотностью, хорошей формуемостью, устойчивостью к горючесмазочным материалам. Полиэтилен имеет теплостойкость до 50 ºС, морозостойкость до -70 , химически стоек, однако подвержен старению. Применяется для изготовления пленок, труб, контейнеров, предметов домашнего обихода. Полипропилен имеет более высокие прочностные свойства, но имеет более низкую морозостойкость (до минус 20 ºС). Области применения близкие к полиэтилену. Полистирол - твердый прозрачный компактный материал. Используется для изготовления деталей приборов и машин (ручки, корпуса, трубы и др.). Полиуретаны и полиамиды: капрон, нейлон используются для изготовления высокопрочных нитей и пленок. Органические стекла - прозрачные твердые вещества, используются в самолетостроении, автомобилестроении, приборостроении.
К термопластам также относятся фторопласты - уникальные материалы с очень низким коэффициентом трения. Их используют для вентилей, кранов, насосов, втулок, прокладок и др.).
Термореактивные материалы при нагревании размягчаются лишь в начальный период времени, а затем твердеют при температуре нагревания за счет протекания необратимых химических реакций в их структуре, в результате чего такой материал остается твердым и не размягчается при повторных нагревах до достаточно высоких температур. Представителями термореактивных материалов являются фенолформальдегидная, глифталевая, эпоксидная смолы, непредельные полиэфиры и др. Природа протекания химических реакций, приводящих к необратимому затвердеванию, может иметь различный характер. Оно может стимулироваться добавлением в смолы специальных веществ - отвердителей, либо происходить только за счет термической активации - при нагреве. Однако в обоих случаях особенностью термореактивных пластмасс является необратимый характер изменения основных свойств материала.
Основой реактопластов являются термореактивные полимеры. В качестве наполнителей используют различные неорганические материалы. В зависимости от типа наполнителя такие материалы подразделяются на порошковые, волокнистые и слоистые. Порошковые материалы используют в качестве наполнителей древесную или целлюлозную муку, молотый кварц, тальк, цемент, графит и др. Такие пластмассы имеют однородные свойства по всем направлениям, хорошо прессуются. Недостаток - низкая устойчивость к ударным нагрузкам. Применяются для изготовления корпусных деталей приборов, технологической оснастки в литейном производстве (моделей) или слабонагруженных деталей штампов. Волокнистые пластмассы (волокниты) имеют высокие прочностные свойства, особенно, стекловолокниты, поскольку, по существу, они являются композиционными материалами и используют преимущества в свойствах как основы, так и волокон, применяемых для создания этих материалов. Слоистые пластики, как и волокниты, являются композиционными материалами. Они характеризуются наиболее высокими прочностными и, одновременно, пластическими свойствами. Существуют текстолиты (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель - бумага), древеснослоистые пластики (древесный шпон), стеклотекстолиты (ткань из стекловолокна). Текстолит имеет повышенное сопротивление износу. Может применяться для изготовления зубчатых колес, кулачков, подшипников и других тяжело нагруженных деталей. Гетинакс - электроизоляционный и декоративно-строительный материал. Стеклотекстолит на эпоксидной смоле используется для наиболее ответственных нагруженных деталей, поскольку имеет наиболее высокие прочностные свойства среди остальных пластических масс.
В зависимости от основного назначения пластмассы разделяются на следующие группы:
а) конструкционные, обладающие высокой механической прочностью и применяющиеся для силовых и не силовых конструкций;
б) электроизоляционные, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами; область применения - электротехника, приборостроение;
в) теплостойкие, применительно к трем температурным областям применения: 120 - 150 ºС, 150 - 200 ºС и выше 200 ºС;
г) звуко- и теплоизоляционные, обладающие звукоизоляционными свойствами и малой теплопроводностью - обычно, высокопористые материалы;
д) фрикционные, обладающие при сухом трении высоким коэффициентом трения и малым износом;
е) антифрикционные, также имеющие высокую износостойкость при очень малом коэффициенте трения;
ж) антикоррозионные, обладающие повышенной стойкостью к внешним химически агрессивным факторам (атмосферные осадки, кислоты, щелочи); часто используются для покрытия металлических изделий с целью защиты от коррозии;
з) декоративно-отделочные и облицовочные, обладающими хорошими декоративными свойствами;
и) прокладочные и уплотнительные, обладающие стойкостью против действия воды, жидкого топлива, минеральных масел, кислот и щелочей;
к) тропикоустойчивые, хорошо сопротивляющиеся действию температуры, влажности воздуха, ультрафиолетового облучения, стойкие к грибковой плесени;
л) химически стойкие, обладающие стойкостью к действию сильных кислот и щелочей, ароматических углеводородов, бензину, спиртам и другим растворителям.
Большинство пластмасс обладает комплексом свойств, позволяющих применять их не в одной, а сразу в нескольких областях, в различных сочетаниях, например, винипласт обладает электроизоляционными, конструкционными и антикоррозионными свойствами.
Конструкционные пластмассы подразделяются по прочности:
а) высокопрочные, с пределом прочности на растяжение σв выше 196 МПа;
б) средней прочности при σв от 78,4 до 196 МПа;
в) низкой прочности при σв не выше 78,4 МПа;
г) теплостойкие;
д) декоративно-отделочные и облицовочные.
Электро- и радиотехнические пластмассы бывают:
а) электроизоляционные;
б) электропроводные;
в) радиопрозрачные.
Тепло- и звукоизоляционные пластмассы подразделяются на следующие подгруппы:
1. Пенопласты полистирольные и на иной основе:
а) эмульсионные с ячеистой структурой (например, пенопласт, полистирольный плиточный ПС-1 и ПС-4);
б) вспенивающиеся полистиролы, являющиеся продуктами полимеризации стирола в присутствии порошкообразователя (например, ПСВ, ПСВ-А, ПСВ-С).
2. Пенополиуретаны эластичные, получаемые путем взаимодействия полиэфира П-2200 с толуилендиизицианатом в присутствии катализатора, эмульгатора и специальных добавок.
3. Тепловая изоляция, наносимая на изделия в виде матов, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью и экранов - материалов с высокой отражательной способностью:
а) электронно-вакуумная тепловая изоляция, представляющая собой набор экранов - материалов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью;
б) тепло- звукоизоляционный материал, состоящий из слоев стеклянных волокон, обклеенных с одной или двух сторон фольгой, пленкой или не оклеенных вообще.
Композиционные материалы
Композиционными материалами называют такие материалы, которые состоят из различных составных частей, не растворяющихся друг в друге. Обычно такие материалы представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких порошков, волокон, непрерывных нитей, и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти жесткие элементы погружены, и которая связывает эти элементы в монолитное тело. Композиционные материалы могут быть дисперсноупрочненными, волокнистыми, слоистыми. По виду и расположению упрочняющих компонентов композиционные материалы подразделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.
В зависимости от геометрии армирующих элементов композиционные материалы бывают изотропными или анизотропными. Если армирующий материал располагается в хаотическую ориентацию в пространстве и состоит из порошковых или коротковолокнистых элементов, то чаще всего такие композиционные материалы являются изотропными. В том случае, если композиционные материалы состоят из закономерно и единонаправленных волокон, соединенных матрицей, то такие материалы, являются анизотропными.
С примерами композиционных материалов с полимерной матрицей мы уже сталкивались выше (текстолит, гетинакс и др.).
Особую роль, как композиционных материалов с высокими показателями удельной прочности, играют сплавы с металлической матрицей, основу которых составляют чаще всего алюминий и алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы и др.
Широко известны порошковые дисперсноупрочненные спеченные композиционные материалы, например, САП (спеченная алюминиевая пудра). Алюминиевая пудра представляет собой мельчайшие частицы алюминия, полученные методами размола алюминия в мельницах и естественно окисленные кислородом воздуха за счет высокой химической активности алюминия.
Для изготовления изделий такую пудру брикетируют с получением изделий заданной формы и размеров, а затем спекают при температуре 500 - 550 ºС. Материал получает высокую удельную прочность - до 400 - 450 МПа, которая позволяет использовать изделия при сравнительно высоких температурах - до 500 ºС.
Для получения волокнистых материалов (композитов) с алюминиевой матрицей используют волокна, нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений с бором, углеродом, а также окиси алюминия, карбида или нитрида кремния и др.
В ряде случаев в качестве волокон применяют проволоку из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, хрома, бериллия и др.
Положительными свойствами композиционных материалов с металлической матрицей являются: высокая термостойкость, более высокие, чем у порошковых композиционных материалов электро- и теплопроводность, негорючесть, устойчивость к эрозии, стабильность размеров во влажном состоянии и некоторые другие.
По сравнению с однородными литыми и деформируемыми традиционными металлическими металлами и сплавами композиционные материалы существенно (в несколько раз) имеют более высокие прочностные свойства и модули упругости, а также на порядок более высокие значения удельной прочности по отношению к удельному весу (таблица 9.2).
Таблица 9.2 - Физико-механические свойства КМ с металлической матрицей
| Материал | Содержание волокна, % | Плотность, г/см3 | Предел прочности при растяжении, МПа при | Модуль упругости, ГПа | Усталостная прочность на базе 107 циклов, МПа | Длительная прочность, за 100 ч при 400 ºС, МПа | Коэффициент линейного расширения, α·10-6, 1/ºС | |
| При 20 ºС | При 400 ºС | |||||||
| Алюминий-стальная проволока | 4,8 | 11,8 | ||||||
| Алюминий-борное волокно | 2,65 | 6,0 | ||||||
| Магний-борное волокно | 2,2 | 6,5 | ||||||
| Никель-вольфрамовая проволока | - | 700 при 1100ºС | - | - | 150 при 1100ºС | - | ||
| Алюминий-угольное волокно | 30-40 | 2,3 | 700-800 | 600-700 | 130-150 | - | - | - |
| Магний-угольное волокно | 30-40 | 1,8 | 700-800 | 600-700 | 130-150 | - | - | - |
Возрастающая потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками, стимулирует работы по созданию композиционных материалов с металлической матрицей из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными волокнами, например, борными, углеродными и стальными.
Такие композиционные материалы являются наиболее перспективным классом машиностроительных материалов при постоянном ужесточении условий эксплуатации современных машин, при которых традиционные металлы и сплавы не удовлетворяют возрастающим требованиям, особенно в части удельных показателей прочности и жесткости.
Существует композиционные материалы типа КАС – алюминиевый сплав, армированный в одном направлении стальными волокнами. Такие КМ имеют высокую технологичность при производстве; относительно малую себестоимость; хорошую воспроизводимость характеристик при изготовлении изделий из композиционных материалов. Широкое применение КМ типа «алюминий – сталь» в промышленности сдерживается невысоким удельными характеристиками и анизотропией свойств.
Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при особо низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, динамических, знакопеременных нагрузках в условиях жестко-упругих конструкций.
Их применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной проволокой, изготавливают тонкостенные топливные баки и другие корпусные детали. Использование таких материалов в изделиях авиационной техники уменьшает массу деталей равной прочности на 20-60 %. Композиции на основе алюминий-титан используют при изготовлении легких лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее высокими качественными показателями для этого назначения отличаются композиционные материалы на никелевой и хромовой основе с армированием нитевидными кристаллами окиси алюминия.
Металлические композиционные материалы на основе свинца или его сплавов с оловом, армированные проволокой из нержавеющей стали, могут использоваться для изготовления подшипников, работающих без смазки.В электротехнике металлические композиционные материалы находят применение для изготовления проводов высоковольтных линий, износостойких контактов, сверхпроводников и др.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
1. Перечислите методы исследований в металловедении. Укажите возможности каждого из методов.
2. Дайте определение металлического вещества. Раскройте сущность металлической связи. Назовите типичные свойства металлов.
3. Приведите характеристики механических свойств металлов и сплавов. Укажите методы их определения и используемые для этого приборы и оборудование.
4. Охарактеризуйте кристаллические решетки ОЦК, ГЦК, ГПУ. Изобразите элементарную ячейку, укажите основные плоскости, определите координационное число, число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.
5. Назовите виды точечных дефектов. Приведите схемы их в простейшей кристаллической системе. Укажите их влияние на свойства металлов.
6. Дайте понятие дислокации. Виды дислокаций в металлах. Их роль в пластической деформации. Влияние плотности дислокаций на механические свойства металлов.
7. Поверхностные дефекты в структуре металлов. Понятие зеренной и субзеренной структуры.
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И АЛЛОТРОПИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ
8. Строение металлической жидкости. Дайте понятие ближнего и дальнего порядка.
9. Изобразите термическую кривую кристаллизации чистого металла. Объясните причину образования площадки на кривой при температуре кристаллизации.
10. Охарактеризуйте физический смысл понятия "степень переохлаждения". Укажите, от чего она зависит, как влияет на структуру кристаллизующегося металла.
11. Дайте определение критического зародыша. Укажите факторы, оказывающие влияние на его величину.
12. Поясните, как влияет скорость охлаждения при кристаллизации на структуру металла. Укажите причины этого влияния.
13. Назовите кристаллизационные параметры Таммана. Укажите, от чего они зависят, и как влияют на структуру кристаллизующегося металла.
14. Рассмотрите причины дендритного роста кристалла при кристаллизации металлов и сплавов.
15. Опишите строение слитка. Нарисуйте схему его макроструктуры, укажите основные структурные зоны и характерные дефекты слитка.
16. Покажите, что такое аллотропическое превращение, и чем оно отличается от кристаллизации и плавления металлической жидкости.
ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ
17. Укажите, что такое твердый раствор внедрения, замещения, вычитания. Покажите, в каких случаях такие твердые растворы образуются. Привести примеры.
18. Укажите особенности строения упорядоченных твердых растворов.
19. Дайте характеристику фаз внедрения, и укажите, чем они отличаются от твердых растворов внедрения.
20. Покажите, что такое электронные соединения. Укажите их виды. Приведите примеры. Дайте понятие электронной концентрации.
21. Дайте характеристику сигма-фаз (условия образования, основные свойства, примеры).
22. Дайте характеристику фаз Лавеса (условия образования, основные свойства, примеры).
23. Дайте характеристику химических соединений с нормальной валентностью (условия образования, основные свойства, примеры).
24. Дайте определения понятий: система, компонент, фаза.
25. Укажите, что такое структурная составляющая, и чем она отличается от фазовой составляющей.
26. Рассмотрите правило фаз Гиббса. Поясните его применение для анализа фазового равновесия. Приведите примеры.
27. Рассмотрите правило коноды и его применение для анализа фазовой диаграммы.
28. Рассмотрите правило рычага и его применение для определения количества фаз и структурных составляющих на фазовой диаграмме.
29. Рассмотрите применение термического анализа для построения диаграммы фазового равновесия.
30. Определите на концентрационном треугольнике АВС тройной диаграммы фазового равновесия положение сплава с содержанием компонентов А - 20 %; В - 30 %; С - 50 %, или другого соотношения между компонентами при их сумме 100 %.
31. Проведите на концентрационном треугольнике системы АВС линию, соответствую содержанию компонента А = 20 % (или иному содержанию того или другого компонента).
32. Проведите на концентрационном треугольнике системы АВС линию, соответствую постоянному соотношению между компонентами В:С = 1:2 (или ином соотношении).
33. На заданной диаграмме фазового равновесия выбрать один из указанных в задании сплавов, построить для него термическую кривую, рассмотреть и описать процессы формирования структуры при кристаллизации:
| Тип диаграммы: с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии | Сплав любой (например, 50:50) Равновесная кристаллизация Неравновесная кристаллизация |
| Тип диаграммы: эвтектическая | Сплав: доэвтектический Эвтектический Заэвтектический |
| Тип диаграммы: с устойчивым химическим соединением | Сплав: в области, примыкающей к линии устойчивого химического соединения |
| Тип диаграммы: с перитектической кристаллизацией | Сплав: с перитектикой, с избытком твердой фазы Точно перитектический С перитектикой с избытком жидкой фазы |
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ: ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ
34. На диаграмме железо-углерод для заданного сплава построить кривую охлаждения, описать фазовые превращения, протекающие при формировании структуры сплавов, нарисовать конечные структуры:
Сплав с содержанием углерода, %: 0,01; 0,16; 0,2; 0,4; 0,8; 1,2; 3,0; 4,3; 5,0
35. Расшифруйте марки железоуглеродистых сплавов, укажите характерные особенности состава и свойств сплавов, методы получения:
| Ст3сп; 30 | 08; У8; У8А | Ст1пс; Ст2сп; Ст3кп | СЧ10; КЧ 60-3 | ВЧ 35; СЧ45 |
| Ст5кп; 45 | А12; У12; У12А | У7; У11А; 15 | КЧ 33-8; ВЧ 100 | ВЧ 35; ВЧ 100 |
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
36. Расшифруйте марки легированных сталей, укажите характерные особенности состава и свойств сталей, методы получения:
| 09Г2 | 20Х | 38ХН3МФА | 38ХМЮА |
| 09Г2С | 20ХН | 40ХНМА | 38ХЮА |
| 14Г2 | 12ХН3А | 40ХН | 38Х2МЮА |
| 15ГФ | 12Х2Н4А | 30ХГС | 65Г |
| 14Г2АФ | 18Х2Н4МА | 30ХГТ | 60С2А |
| 10Г2Б | 18ХГТ | 40ХГ | 70С3 |
| 10ХСНД | 25ХГТ | 35ХМА | 50ХГА |
| 18Г2С | 25ХГР | 30ХМ | 50ХФА |
| 25Г2С | 18Х2Н4ВА | 40Х | 60СХФА |
| ШХ15 | Р18 | 40ХЛ | |
| ШХ15СГ | Р6М5 | 20ГЛ | |
| 95Х18 | Р9К5 | 35ХМЛ | |
| ХВГ | 12Х13 | 35ХГСЛ | |
| ХГС | 40Х13 | 12ДН2ФЛ | |
| 9ХС | 12Х18Н10Т | 110Г13Л | |
| Х12Ф1 | 15Х6СЮ | ЕХ3 | |
| 5ХНВ | 15ХМ | ЕХ5К5 | |
| 3Х2В8Ф | ХН77ТЮР | Х20Н80 |
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
37. Назовите цели (назначение) операций предварительной термической обработки, ее технологические параметры, формирующиеся структуры сплавов после данной операции термической обработки, типичные свойства сплавов:
| Отжиг, уменьшающий напряжения; | Нормализация доэвтектоидной стали |
| Рекристаллизационный отжиг | Нормализация заэвтектоидной стали |
| Гомогенизационный отжиг | Неполный отжиг доэвтектоидной стали |
| Отжиг, увеличивающий зерно | Неполный отжиг заэвтектоидной стали |
| Полный отжиг стали | Изотермический отжиг стали |
| Отжиг слитков из алюминиевых сплавов | Отжиг деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов |
38. Назовите цели (назначение) операций окончательной термической обработки, ее технологические параметры, формирующиеся структуры сплавов после данной операции термической обработки, типичные свойства сплавов:
| Закалка и старение алюминиевых сплавов | Низкий отпуск |
| Закалка доэвтектоидной стали | Средний отпуск |
| Закалка заэвтектоидной стали | Высокий отпуск |
| Изотермическая закалка стали | Цементация |
| Улучшение | Азотирование |
| Закалка дуралюминов | Старение дуралюминиов |
СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
39. Расшифруйте марки цветных сплавов, укажите характерные особенности состава и свойств сплавов, методы получения:
| ВТ5 | АЦ4Мц | АМг2М | БрОФ4-0,25 |
| ОТ4 | АК9Ц6 | АМг6М | БрО3Ц7С5Н1 |
| ОТ 4-1 | АМг10 | АМг6Н | Б83 |
| ВТ 3-1 | АМ4,5Кд | Д1 | ЛЦ23А6Ж3Мц2 |
| ВТ6 | АМ5 | Д16 | ЛАЖ 60-1-1 |
| ВТ11 | АК5М4 | АВ | ЛС 59-1 |
| ВТ16 | АК5М | В95 | Л80 |
| ВТ22 | АК7 | В96Ц | Л96 |
| ВТ32 | АК12 | В93 | М1 |
ПОРОШКОВЫЕ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
40. Укажите области применения порошковых материалов на основе железа, меди.
41. Укажите области применения пористых порошковых материалов на основе порошков нержавеющей стали, никеля, титана, хрома.
42. Укажите области применения порошковых материалов на основе карбидов вольфрама и карбидов титана с кобальтовой связкой.
43. К какому классу материалов относится САП (спеченная алюминиевая пудра); опишите характерные свойства этого материала и области применения.
44. Охарактеризуйте понятие дисперсноупрочненных композиционных материалов на металлической основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.
45. Охарактеризуйте понятие волокнистых композиционных материалов на металлической основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.
46. Охарактеризуйте понятие волокнистых композиционных материалов на неметаллической (полимерной) основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.
47. Охарактеризуйте понятие термопластичных неметаллических материалов. Укажите особенности их свойств и применение.
48. Охарактеризуйте понятие термореактивных неметаллических материалов. Укажите особенности их свойств и применение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Развитие человеческой цивилизации во все времена было связано с миром металлических и неметаллических материалов, которые оно использовало в своей практической деятельности. Изучая историю Древнего мира, мы сталкиваемся с понятиями "Золотого века", "Бронзовой эры" человечества. Мы живем в наступившей много веков назад "Эпохе железа". Мы наблюдаем, как в нашу повседневную жизнь проникают все более глубоко такие металлические материалы, как алюминий, титан, никель, вольфрам, хром, кобальт. Нами используются как чистые металлы, так и их соединения: карбиды, бориды, нитриды и др. Все шире используются искусственно создаваемые композиции разнородных материалов, позволяющие достигать удивительных свойств и качеств материалов и изделий, изготовленных из них.
Все это оказывается возможным на основе глубокого овладения специалистами различных отраслей материаловедческими методами мышления, наукой "Материаловедение", основанной на глубоком понимании физико-химических основ строения вещества.
Основы физического металловедения, рассмотренные в первой части книги, создают теоретический фундамент для детального изучения различных классов конструкционных материалов, предназначенных для различных условий эксплуатации. Здесь рассмотрены общие вопросы строения металлического вещества, его свойства, основные фазовые и структурные составляющие, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации и перекристаллизации в твердом состоянии. Изучены диаграммы фазового равновесия в двойных и тройных системах, основы структурных изменений при деформации, термической, химико-термической и деформационно-термической обработке. Изучены классификации, применение и свойства основных классов металлических материалов: углеродистых и легированных сталей и чугунов, цветных металлов и сплавов, а также композиционных и неметаллических материалов.
В соответствующих классах материалов выделяются подклассы по назначению, что облегчает выбор материалов для требуемых условий эксплуатации. На основе сведений, изложенных в настоящем пособии, специалист в любой отрасли знаний сможет принимать материаловедчески грамотные решения, что приведет к успеху при решении любой жизненно важной проблемы.
Библиографический список
1. Лившиц В.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990. - 236 с.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: 1983.
3. Геллер Г.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975. - 447 с.
4. Биронт В.С. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы: Учебное пособие / В.С. Биронт, А.А. Ковалева, Т.А. Орелкина, Л.С. Цурган; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 2002. - 120 с.
5. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина - 3 изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
К началу документа
| ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
| ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ | |||
| Глава 1 Металлическое состояние. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
| 1.1 | Краткий исторический очерк. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 1.2 | Методы исследований в металловедении и материаловедении. . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 1.3 | Физико-химические представления о металлах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 1.4 | Основные свойства металлов и способы их определения. . . . | ||
| 1.5 | Кристаллическая структура металлов | ||
| 1.6 | Кристаллографические способы обозначения в решетках | ||
| 1.7 | Характеристика реального металла | ||
| Глава 2. Процессы кристаллизации. . . . . . . . . . . . . . . | |||
| 2.1 | Строение жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 2.2 | Термодинамические основы процесса кристаллизации. . . . . . | ||
| 2.3 | Кинетические особенности процесса кристаллизации. . . . . . . | ||
| 2.4 | Размер зерна литого материала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 2.5 | Дендритный рост кристаллов | ||
| 2.6 | Строение слитка. . . . . . . . . . | ||
| 2.7 | Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии | ||
| Глава 3.Фазовое и структурное состояние сплавов. Диаграммы фазового равновесия. . . . . . . . | |||
| 3.1 | Строение и состав твердых фаз в сплавах . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 3.2 | Двойные системы. . . . . . . . . . . | ||
| 3.3 | Диаграмма фазового равновесия. . . . . . . . . . . | ||
| 3.4 | Тройные системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 3.5 | Физические и технологические свойства сплавов в зависимости от их фазового состава. . . . . . . . . . . | ||
| Глава 4.Железоуглеродистые сплавы: фазовое и структурное состояние. . . . . . . . | |||
| 4.1 | Общие сведения о диаграмме железо-углерод. . . . . . . . . . . . . | ||
| 4.2 | Характеристика фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 4.3 | Характеристика основных точек и линий диаграммы железо-углерод. | ||
| 4.4 | Фазовый и структурный состав на диаграмме железо-углерод. . . . . . . . . . | ||
| 4.5 | Формирование структуры железоуглеродистых сплавов при охлаждении. . . . . . . . . | ||
| ЧАСТЬ 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ | |||
| Глава 5. Углеродистые стали и чугуны . . . . . . . . . | |||
| 5.1 | Классификация углеродистых сталей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 5.2 | Деформируемые углеродистые стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 5.3 | Чугуны | ||
| Глава 6. Легированные стали . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
| 6.1 | Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.2 | Классификация легированных сталей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.3 | Конструкционные легированные стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.4 | Инструментальные стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.5 | Стали со специальными химическими и физическими свойствами. . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.6 | Стали для литья. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 6.7 | Магнитные стали и сплавы. . | ||
| 6.8 | Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением. . | ||
| Глава 7. Основы термической обработки металлов и сплавов . . . . . . . . . . . . . . . | |||
| 7.1 | Классификация видов термической обработки металлов и сплавов. . . . . . . . . . . . . . | ||
| 7.2 | Отжиг. Отжиг первого рода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 7.3 | Отжиг второго рода. . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 7.4 | Закалка без полиморфного превращения и старение цветных сплавов. . . . . . . . . . . . | ||
| 7.5 | Закалка на мартенсит | ||
| 7.6 | Отпуск закаленной стали | ||
| 7.7 | Деформационно-термическая обработка | ||
| 7.8 | Химико-термическая обработка | ||
| Глава 8. Сплавы цветных металлов . . . . . . . . . . . . . . . | |||
| 8.1 | Титан и его сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.2 | Алюминий и его сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.3 | Магний и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.4 | Медь и ее сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.5 | Никель и его сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.6 | Цинк и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 8.7 | Олово, свинец и их сплавы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| Глава 9. Порошковые, композиционные и неметаллические материалы. . . . . . . . . . . | |||
| 9.1 | Порошковые конструкционные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 9.2 | Неметаллические материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| 9.3 | Композиционные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| Контрольные вопросы и задания | |||
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ | |||
| Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
* Относительно чистые, поскольку между любыми веществами всегда присутствует хотя бы ничтожно малое физико-химическое взаимодействие. Это требует называть образующиеся структурные составляющие типа смесей физико-химической смесью, а не механической, как неправильно характеризуют такие структуры некоторые авторы.
* См. Сноску на предыдущей странице.