Строение и свойства металлических материалов

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Южно-Уральский многопрофильный колледж»

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Опорный конспект

 

 

Содержание

 

Раздел 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ……………………….….4

1.1. Строение и свойства металлических материалов………………………………...4

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов……………………………………5

1.3. Полиморфные превращения в металлах……………………………………….…6

1.4. Анизотропия кристаллов и изотропия кристаллических тел…………………..7

1.5. Идеальное и реальное строение металлических материалов…………………...8

1.6. Кристаллизация металлов……………………………………………………………12

1.7. Дендритная кристаллизация…………………………………………………..….14

1.8. Строение слитка спокойной стали………………………………………………15

 

Раздел 2. МЕТОДЫИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………………………16

2.1. Упругая и пластическая деформация……………………………………………16

2.2. Механические свойства и методы их определения……………………………..18

2.3. Методы изучения структуры………………………………………………….…19

 

Раздел 3. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫСОСТОЯНИЯ………………21

3.1. Типы сплавов……………………………………………………………………...21

3.2. Диаграммы состояния сплавов…………………………………………………..23

3.3. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния…….27

 

Раздел 4. СПЛАВЫЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА. СТАЛИ И ЧУГУНЫ. ДАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ «ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ»……….…29

4.1. Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)………….….29

4.2. Углеродистые стали………………………………………………………….…...31

4.3. Чугуны………………………………………………………………………….….35

Раздел 5. ТЕОРИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ…………………………...37

5.1. Термическая обработка стали……………………………………………………37

5.2. Химико-термическая обработка стали…………………………………………..40

5.3. Легированные стали. Классификация и маркировка…………………………...41

Раздел 6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫИ СПЛАВЫ………………………………….44

6.1. Медь и сплавы на основе меди…………………………………………………..44

6.2. Алюминий и сплавы на его основе………………………………………………45

6.3. Титан и сплавы на его основе ……………………………………………………48

6.4. Магний и сплавы на его основе………………………………………………….49

6.5. Бериллий…………………………………………………………………………..50

6.6. Баббиты……………………………………………………………………………50

Раздел 7. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ……………………………51

7.1. Быстрорежущие стали……………………………………………………………51

7.2. Твердые сплавы…………………………………………………………………...49

Раздел 8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ…52

8.1. Пластмассы………………………………………………………………………..53

8.2. Композиционные материалы…………………………………………………….56

Раздел 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Строение и свойства металлических материалов

Металлы и их сплавы используют для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом.

Металлические материалы подразделяют на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными.

Свойства металлов разнообразны, но вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

- высокая пластичность;

- высокая теплопроводность;

- высокая электропроводность;

-положительный температурный коэффициент температурного сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов при температурах, близких к абсолютному нулю;

- хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

- кристаллическое строение в твердом состоянии.

Перечисленные свойства характерны не только для чистых металлов, но и для металлических сплавов.

Отмеченные свойства обусловлены электронным строением металлических материалов. В металлах электроны находящиеся на внешних энергетических уровнях, слабо связаны с ядром атома. Они находятся в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ. Такие электроны являются общими для всех атомов. Они свободно перемещаются между положительно заряженными ионами. Электронный газ компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле. Такой тип связи не является направленным и характеризуется высокой энергией.

Металлический тип связи позволяет объяснить основные свойства металлов. Высокая электропроводность объясняется наличием свободных электронов, упорядоченное движение которых во внешнем электрическом поле обеспечивает протекание электрического тока. Высокая теплопроводность обусловлена большой подвижностью свободных электронов. Повышенная способность к пластической деформации объясняется отсутствием направленности металлической связи.

 

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов

 

Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое стро­ение, характеризующееся определенным закономерным располо­жением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристалли­ческой структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

ATOMHO-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейкой — ячейкой, повторяющейся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 2.1).

а а а Рис. 2.1. Кристаллическая ре­шетка с параметрами а, Ь, с

а а а Рис. 2.1. Кристаллическая ре­шетка с параметрами а, Ь, с

 

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображе­ние принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; их назы­вают узлами решетки. Расстояния a, b и с между центрами атомов, находя­щихся в соседних узлах решетки, на­зывают параметрами или периодами ре­шетки. Величина их в металлах при­мерно 0,1...0,7 нм, размеры элемен­тарных ячеек 0,2...0,3 нм. На рис. 2.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецент­рированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакован­ная (ГПУ), а также схемы упаковки в них атомов. В ОЦК решетке атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 2.2, а). В ГЦК решетке атомы расположены в верши­нах куба и в центре каждой грани (рис. 2.2, б). В ГПУ решетке атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 2.2, в).

б

Рис. 2.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов: а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубиче­ская; в — гексагональная плотноупакованная решетка