Контрольная работа по "Материаловедению"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

Омский Государственный Аграрный Университет

 

Кафедра ТМ и ТС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине «Материаловедение»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 3 курса

заочного отделения специальности 200503

Портнягина Варвара Андреевна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2010

 

1. Характерные свойства металлов

Строение

Накопленный опыт и разносторонние исследования показали, что пространственное расположение атомов в металлах и  материалах из них соответствует строго определенным закономерностям. Это закономерное и математически описываемое расположение атомов, специфичное для отдельных металлов, называется кристаллической. Большинство металлов обладает кубической или гексагональной кристаллическими системами.

Упругие и пластические деформации

Из многочисленных свойств  металлов, уже тысячелетиями используемых человечеством, важнейшими являются механические свойства. При этом в первую очередь  речь идет о прочности, под которой  в широком смысле слова понимают сопротивление материала разрыву его на части. Предметы из металлических материалов могут, однако, не только разрушаться на отдельные части под действием внешних сил, но и менять форму, не меняя своего внутреннего строения. Благодаря этому большинство металлических материалов может быть подвергнуто пластическому формованию.

Пластические свойства материалов важны прежде всего при  их формовании, в то время как  прочность и, конкретно, предел текучести  помогают конструкторам правильно  рассчитать размеры элементов конструкций. При расчетах в основу кладется то допустимое напряжение, которое не должно быть превышено при воздействии силы на какую-либо строительную деталь.

Электроны транспортируют электричество и тепло

Специфические свойства металлов более глубоко объясняются специальным видом связи между атомами, так называемой металлической связью. Каждый атом металла отдает из своего внешнего электронного облака в среднем один электрон, а сам заряжается положительно. Таким образом, исходя из атомных представлений, металлы состоят не из нейтральных атомов, а из положительно заряженных их остатков, потерявших свои валентные электроны. Отданные электроны могут свободно двигаться между ионами металла и в качестве «электронного газа» удерживать вместе всю совокупность атомов. Ввиду высокой подвижности электронов внешнего облака, они не могут быть отнесены к какому-либо отдельному атому.

Если теперь приложить  внешнее электрическое поле, то эти  электроны начнут перемещаться, то есть по материалу пойдет ток. При наличии идеальной кристаллической структуры электроны могут двигаться почти беспрепятственно. Однако фактическое сопротивление движению электронов больше теоретического, так как в решетках реальных металлов протекают еще и процессы, тормозящие электроны, а именно: электроны рассеиваются дефектами кристаллической решетки. Кроме того, при передаче электрического заряда в кристаллах можно наблюдать, что полностью занятые электронами энергетические уровни атома не проводят электрический ток. Этой способностью обладают атомы, орбиты которых неполностью заняты. Металлы, в отличие от неметаллов, имеют такие орбиты. Соответственно способности проводить электрический ток различные вещества можно разделить на изоляторы и проводники. Проводники, в свою очередь, по механизму переноса заряда делятся на ионные и электронные, а последние-на полупроводники и металлические проводники.

Неметаллы имеют высокие  значения сродства к электрону, большую  электроотрицательность и высокий  окислительно-восстановительный потенциал.

Благодаря высоким значениям  энергии ионизации неметаллов их атомы могут образовывать ковалентные  химические связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. В отличие от преимущественно  ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.

 

 

2. Диаграмма состояний сплавов железо-углерод

Диаграмма состояний сплавов железо-углерод  — графическое отображение состояний сплавов железа с углеродом. Диаграмма железо — углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму — по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 % то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерод.

Фазы состояния сплава железо — углерод

Диаграмма состояния сплавов  железо-углерод

В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727° С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392° С существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °С (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам  железа. Он мягок (твердость — 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768° С.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,8 % при температуре 727° С (точка S), максимальную — 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении в аустените  других элементов могут изменяться свойства и температурные границы  существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние  на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении — вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

 

3. Алюминий и его сплавы

 

Алюминий – светло-серебристый  металл, имеющий кристаллическую  решетку гранецентрированного куба с периодом 4,0413 Å. Не испытывает полиморфных  превращений. Алюминий – легкий металл, его удельный вес 2,703 г/см³ при 20 ˚С. В связи с этим алюминий является основой сплавов для легких конструкций, например в авиационной технике. Алюминий обладает высокой электропроводностью (65% от меди), поэтому алюминий в большом объеме используется в качестве проводниковых материалов в электротехнике. Чистый алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в связи с образованием на его поверхности стойкой и плотной окисной пленки Al₂O₃. Это свойство сохраняется и во многих сплавах, содержащих алюминий в виде легирующих элементов.

Примеси, присутствующие в алюминии, понижают его пластичность, электро- и теплопроводность, снижают защитное действие пленки. В технически чистом алюминии в качестве примесей могут находиться, в основном, Fe и Si.

Железо очень мало растворимо в  алюминии, и уже при тысячных долях процента при низких температурах появляется новая фаза FeAl₃. Эта фаза, как считают в последнее время, является одной из виновниц высокой устойчивости и наследственности литой структуры алюминия и его сплавов, когда дендритное строение можно наблюдать даже после очень больших степеней пластической деформации (50-90%) и последующего рекристаллизационного отжига. Железо уменьшает электропроводность и химическую стойкость чистого алюминия.

Кремний в алюминии вместе примесями  железа образует эвтектику из твердого раствора на основе алюминия и кристаллов FeSiAl₅, которая имеет форму китайских иероглифов. Для нейтрализации вредного влияния железа сплавы легируют марганцем, за счет чего в сплавах формируется соединение (Fe, Mn)₃Si₂Al₁₅, которое первично кристаллизуется из расплава в виде компактных ограненных кристаллов, что способствует повышению пластичности, если эти кристаллы достаточно мелкие. Хром также вводят в силумины для нейтрализации отрицательного влияния железа.

При небольших содержаниях кремния, (до 0,4%) он находится в твердом растворе. Отжигом можно перевести в твердый раствор до 1,3% Si. Кремний является менее вредной примесью в алюминии, чем железо, хотя также как и железо, уменьшает пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость сплавов. В больших количествах кремний применяется в сплавах на основе алюминия, как легирующий элемент.

Алюминий и алюминиевые сплавы производят по ГОСТ 11069-74 - Алюминий первичный, ГОСТ 1583-93 - Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 4784-74 - Алюминий и сплавы алюминиевые, деформируемые.

Литейные алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93 маркируют буквами и  цифрами с указанием среднего химического состава по основным легирующим элементам. В действующем  ГОСТе указана и старая система  маркировки – условное обозначение марок, содержащее буквы АЛ.

Все литейные алюминиевые сплавы, указанные в ГОСТ 1583-93, в зависимости  от химического состава подразделяют на пять групп:

I группа – сплавы на основе системы Al-Si. В нее входят сплавы марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.

II группа – сплавы на основе системы Al-Si-Cu. В нее входят сплавы марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5.

III группа – сплавы на основе системы Al-Cu. В нее входят сплавы марок АМ5, АМ4,5Кл.

IV группа – сплавы на основе системы Al-Mg. В нее входят сплавы марок АМг4К1,5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.

V группа – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты. В нее входят сплавы марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.

Термическую обработку литейных алюминиевых  сплавов проводят по режимам: Tl - искусственное старение без предварительного нагрева под закалку, Т2 - отжиг, Т4 - закалка, Т5 - неполное искусственное старение, Т6 - полное искусственное старение, Т7 - стабилизирующее старение.

Искусственному старению преимущественно  подвергают сплавы на основе системы  Al-Si. Обработка по режиму Tl возможна в тех случаях, когда при ускоренном охлаждении отливки по окончании ее затвердевания, например при литье тонкостенных деталей в кокиль, образуется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка экономически эффективна, но упрочнение при старении невелико, так как из-за дендритной ликвации сердцевина дендритных ячеек имеет низкую концентрацию легирующих элементов. Обработке по режиму T1 наиболее целесообразно подвергать детали, полученные литьем под давлением. Такие детали, как правило, нельзя закаливать из-за того, что при нагреве под закалку на их поверхности образуются вспучивания в результате расширения газа, захваченного при литье под давлением. Отжиг отливок (режим Т2) проводят, в основном, для сплавов I группы. Этот вид термообработки применяют для уменьшения литейных напряжений. Температура такого отжига около 300°С, выдержка 2...4 ч. Закалке без последующего искусственного старения (режим Т4) подвергают сплавы на основе системы Al-Mg. Термическую обработку по режиму Т4 применяют в тех случаях, когда необходима повышенная пластичность при прочности меньшей, чем после искусственного старения, или же повышенная стойкость против коррозии. Обработка по режиму Т6 включает закалку и полное искусственное старение для достижения максимального упрочнения. Обработка по режиму Т5 состоит из закалки и неполного искусственного старения при температуре более низкой, чем при обработке по режиму Т6. Цель такой обработки - обеспечить повышенную пластичность (по сравнению с обработкой Т6). Термическая обработка по режимам Т5 и Т6 проводится в основном для сплавов системы Al-Si. Режим Т7 - это закалка и стабилизирующее старение (перестаривание), проводимое при температуре более высокой, чем по режиму Т6 для стабилизации свойств и размеров деталей первых трех групп литейных алюминиевых сплавов. Время выдержки при нагреве под закалку разных сплавов колеблется от 2 до 16 ч. Отливки закаливают в холодной воде. Для уменьшения закалочных напряжений воду подогревают до 80...100°С.

Кремний является одним из основных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах (силуминах). Силумины обычно содержат от 5 до 14% Si, т.е. на несколько процентов больше или меньше эвтектической концентрации. Эти сплавы обычно имеют грубую игольчатую эвтектику, состоящую из (a + Si)_э и первичные кристаллы. Типичным силумином является сплав АЛ2 (АК12) с содержанием 10-13% Si. В литом состоянии он состоит в основном из эвтектики и некоторого количество избыточных кристаллов кремния. Механические свойства такого сплава очень низки: s_в = 120 – 160 МПа при относительном удлинении d < 1%.