Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc

Пермский военный институт внутренних войск

МВД России

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ

Учебное пособие

Пермь, 2011

УДК 621.791


Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.Д.Щицын

(Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. В.Я.Беленький

(Пермский государственный технический университет)


Косолапов О.А., Ериков А.П., Логинов В.В., Цимберов Д.М.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебное пособие. – Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2011. – 84 с.


Описаны атомно-кристаллическое строение металлов, свойства металлов, строение и свойства сплавов, термическая, химико-термическая, термомеханическая обработка стали, способы повышения надёжности работы машин.

Описаны материалы, применяемые для изготовления деталей машин и конструкций, приведена их классификация и маркировка, указаны области их применения.

Курс лекций предназначен для курсантов, изучающих дисциплину «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
УДК 621.791

Раздел 1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1. Атомно-кристаллическое строение металлов
1.1. Кристаллические решетки металлов
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, их атомы располагаются в пространстве с определенной закономерностью, образуя кристаллическую решетку.

Н
аименьшая часть объема кристаллической решетки, которая определяет ее систему, называется элементарной кристаллической ячейкой. Любое кристаллическое тело можно представить построенным из элементарных кристаллических ячеек, многократно повторяемых в направлениях осей координат (рис. 1, а).
Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная кристаллические решетки.

---

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 1, б) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом  в центре (Mo, W, Na, K, Fe_ и др.).

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 1, в) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани (Ni, Cu, Al, Fe_, и др.).

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 1, г) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы (Mg, Zn, Ti_ и др.).

1.2. Полиморфизм

П олиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждая модификация устойчива лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами , ,  и т.д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов), что связано с выделением или поглощением теплоты. При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Железо известно в двух полиморфных модификациях   и . На рис. 2 приведена кривая охлаждения железа.

Железо при комнатной температуре обладает ОЦК решеткой; эту модификацию называют -железом. При нагреве до 768 С -железо теряет магнитные свойства, кристаллическая решетка при этом не меняется. При 911 С ОЦК решетка в железе превращается в ГЦК; железо с такой решеткой называют 

---

-железом. При 1392 С -железо превращается в -железо с ОЦК решеткой, существующее до температуры плавления 1539 С.
1.3. Дефекты кристаллического строения реальных кристаллов
В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения влияют на свойства металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К
точечным дефектам (рис. 3), размеры которых по всем трем пространственным координатам соизмеримы с размером атома, относят вакансии, межузельные атомы и примесные атомы.

Отсутствие атома в узле кристаллической решетки называется вакансией (рис. 3, а).

Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки (рис. 3, б) или внедрение в решетку инородного (примесного атома). Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки и снижению прочности металлов.

Дислокации  это линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают два вида дислокаций  краевые и винтовые.

Краевая дислокация (рис. 4), представляет собой местное искажение кристаллической решетки из-за наличия лишней полуплоскости, называемой экстраплоскостью.


Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости и называется краевой дислокацией.

П оверхностные дефекты (рис. 5) представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами и их блоками. На границе зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов. Дислокации облегчают пластическое деформирование металла.

1.4. Кристаллизация металлов

---

Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях  твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией, в газообразное  сублимацией.

На рис. 6 приведена схема кристаллизации металла. До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты  зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); о
собенно это сказывается на пластичности.

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает, главным образом, в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви  оси первого порядка I (рис. 7).От осей первого порядка начинают расти новые оси второго порядка II, от осей второго порядка  оси третьего порядка III и т.д.

Н
а рис. 8 показана схема строения металлического слитка.

П
3

ри кристаллизации слитка в результате соприкосновения металла с холодной стенкой изложницы, образуется зона мелких равноосных кристаллов 1. Зона столбчатых кристаллов 2 имеет направленный характер в связи с тем, что они растут от стенки изложницы к центру по направлению отвода тепла. Зона 2 еще более замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаждения еще более уменьшается, поэтому в центре слитка образуется зона крупных неориентированных кристаллов 3.

2. Свойства металлов

Различают механические, физические, химические, технологические, эксплуатационные свойства металлов.
2.1. Механические свойства

---

Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца

.

Напряжения вызывают деформацию металлического образца (изменение формы и размеров под влиянием внешней нагрузки)  упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность.

Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом, кручением. Чаще прочность металла характеризуют пределом прочности при растяжении временным сопротивлением _в Па:

,

где Р_в  максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед

разрушением, Н;

F₀  начальное сечение образца, мм².

Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке со скоростью 2…15 мм/мин. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией.

На рис. 9 приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки а эта деформация пропорциональна действующему напряжению (нагрузке), что выражается законом Гука: [ = Р/F₀  напряжение в металле, Мн/м² (кгс/мм²); Р  приложенная нагрузка, МН (кгс); F₀  начальная площадь поперечного сечения образца, мм²; l  абсолютное удлинение, мм; l₀  начальная длина образца, мм].

В

---