Материаловедение

1.Общая характеристика металлов

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций  машин, оборудования, инструмента и  т.д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.    В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Cu).   

Металлические материалы  обычно делятся на две большие  группы: железо и сплавы железа (сталь  и чугун) называются черными металлами, а остальные металлы, применяемые  в технике, в свою очередь, делятся  на следующие группы:

·  легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см²;

·  тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см²;

·  легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °С;

·  тугоплавкие металлы W, Mo, Ta, Nb с температурой плавления существенно выше, чем у железа (>1536°С);

·  благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

·  урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используемые в атомной технике;

·  редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

·  щелочные и щелочноземельные металлы Na, K, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.    

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при  температуре – 38,8 °С, вольфрам выдерживает  рабочую температуру до 2000 °С (Т  пл = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют общие характерные свойства. К ним относятся:

·  высокая пластичность;

·  высокие тепло- и электропроводность;

·  положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

·  хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерные металлический блеск);

·  термоэлектронная эмиссия, т.е. способность к испусканию электронов при нагреве;

·  кристаллическое строение в твердом состоянии. 

2.Основные  виды термической обработки стали

После проката, литья, ковки, обработки резаньем и  прочих видов обработки происходит неравномерное охлаждение заготовок. В результате чего появляется неоднородность, как структуры, так и свойств, а также появление внутренних напряжений. А также отливки при  затвердевании получаются неоднородными по химическому составу. Для устранения таких дефектов и применяют отжиг.

Отжигом – называется вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.

Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение  обрабатываемости, подготовка к последующим  операциям.

Отжиг делится  на полный, неполный, диффузионный,  рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный.                                                                                                                                                                                   Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный  отжиг применяется, для улучшения  обрабатываемости резанием и для  подготовки стали к закаливанию.

Изотермический  отжиг заключается, в нагреве  стали до определённой температуры  и относительно быстром охлаждении,  также до определенных температур и  последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный  отжиг заключается, в нагреве  стали до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре  и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг  применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение, которое  возникает после механической обработки.

Нормализация  состоит, из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и  после чего оставляют охлаждаться  на воздухе. Нормализация – это более  дешёвая термическая операция, чем  отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

К термической  обработке стали также, относят  закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя способностями: закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закалённой зоны (области).

Прокаливаемость зависит от химического состава стали. С повышением содержания углерода прокаливаемость увеличивается. На прокаливаемость влияет также скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая, чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

По способу  охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах, ступенчатая  и изотермическая. Закалке в одной  среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что  возникают внутренние напряжения. При  закалке в двух средах, изделие  сначала охлаждают сначала в  одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

Ступенчатую закалку производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне, затем  делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют  для  деталей из углеродистой стали  небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую  скорость закалки, ступенчатую закалку  применяют в основном для изделий  большого сечения.

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее  на воздухе. Преимущества этого способа  закалки заключается в большей  вязкости, отсутствии трещин, минимальном  короблении. Изотермическую закалку  применяют для изделий сложной  формы. Существенную роль играют также  способы погружения деталей в  охлаждающую жидкость. Например длинные  изделия вытянутой формы ( свёрла, метчики) погружают  в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск  стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали  - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости  и износостойкости. Низкому отпуску  подвергают режущий и мерительный  инструмент, а также  детали, которые  должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем  отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при  значительном увеличении упругости  и сопротивляемости действию ударных  нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность  снижаются значительно, но очень  сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант  для конструкционных сталей сочетание  механических свойств. Применяется  для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая  обработка, состоящая из закалки  и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки  конструкционных сталей. Продолжительность  выдержки зависит  от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее  выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.

Наряду с  горячей обработкой стали, применяется  также обработка холодом.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.

Производить обработку холодом нужно сразу  после закалки. Такой обработке  подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает  внутренних напряжений, поэтому после  неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературном – сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после закалки производят низкий отпуск.

При низкотемпературном – сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка. После закалки следует низкий отпуск.

Низкотемпературная  обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют  высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки  сразу после окончания горячей  обработки давлением: ковки или  проката, могут подвергаться закалке  без специального нагрева, используя  только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном  

3.Медные  сплавы        

сплавы на основе меди. М. с. — первые металлические  сплавы, созданные человеком (см. Бронзовый век). Примерно до сер. 20 в. по мировому производству М. с. занимали 1-е место среди сплавов цветных металлов, уступив его затем алюминиевым сплавам. Со многими элементами медь образует широкие области твёрдых растворов замещения, в которых атомы добавки занимают места атомов меди в гранецентрированной кубической решётке. Медь в твёрдом состоянии растворяет до 39 % Zn, 15,8 % Sn, 9,4 % Al, a Ni — неограниченно. При образовании твёрдого раствора на основе меди растут её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, может значительно повыситься коррозионная стойкость, а пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне. При добавлении легирующего элемента свыше предела растворимости образуются соединения, в частности электронные, т. е. характеризующиеся определённой электронной концентрацией (отношением суммарного числа валентных электронов к числу атомов, которое может быть равно ³/₂, ²¹/₁₃ или ⁷/₄). Этим соединениям условно приписывают формулы CuZn, Cu₅Sn, Cu₃₁Sn₈, Cu₉Al₄, CuBe и другие. В многокомпонентных М. с. часто присутствуют сложные металлические соединения неустановленного состава, которые значительно твёрже, чем раствор на основе меди, но весьма хрупки (обычно в двухфазных и многофазных М. с. доля их в структуре намного меньше, чем твёрдого раствора на основе меди).