ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
КАФЕДРА «СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ»
Курс лекций по дисциплине
«Материаловедение»
Направление/специальность:23.05.04 (190401.65) Эксплуатация железных дорог_
(код, наименование специальности /направления)
Профиль/специализация: Магистральный транспорт (ДМ)
Квалификация (степень) выпускника: __ инженер путей сообщения_______ Форма обучения: __ заочная
Брянск 2014 г.
ЛЕКЦИЯ 1
метал деформирование пластический
Основы строения и свойств материалов
Кристаллическое строение и свойства металлов. Основные типы кристаллических решеток аллотропия металлов. Дислокационная структура и прочность металлов. Механические свойства материалов
Материаловедение - наука изучающая связь состава, строения и свойств материалов в различных термодинамических условиях.
1.1 Строение и кристаллизация металлов
1.1.1 Общие сведения
Металлы делятся на две группы:
черные - железо и сплавы на его основе (сталь, чугун);
цветные металлы и их сплавы.
Металлы имеют свойства, которые объединяют их в единую группу: пластичность; теплопроводность; электропроводность; отражательная способность; кристаллической строение.
Совокупность этих свойств обусловлена особым типом межатомной связи - металлической связью. Сущность данной связи состоит в том, что электроны электронного газа в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла. Металл состоит из правильно расположенных в пространстве ионов и перемещающихся между ними атомов.
1.1.2 Кристаллической строение металлов
Существует два типа твердых веществ.
Кристаллические - атомы расположены по геометрически правильной схеме. Эти тела остаются твердыми до определенной температуры, при которой переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
Аморфные вещества
Атомы расположены хаотично. При нагреве размягчаются (становятся вязкими) в большом интервале температур, а затем, переходят в жидкое состояние.
Общим свойством металлов является их кристаллическое строение, т.е. определенное, закономерное расположение атомов в пространстве - кристаллические решетки.
Наиболее распространенными решетками являются:
ОЦК - объемноцентрированный куб.
ГЦК - гранецентрированный куб (кроме атомов в узлах расположены атомы на гранях).
ГП - гексогональная плотноупакованная.
Некоторые металлы при различных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку, так железо при t < 911С - ОЦК, при t > 911С - ГЦК.
Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизм (аллотропия). Полиморфные модификации принято обозначать ??????? и т.д.
Температура превращения кристаллических модификаций называется температурой полиморфных превращений.
Вследствие полиморфных превращений происходят изменения в структуре, что получило название перекристаллизация. Явление полиморфизма приводит к изменению свойств металла и является основной для теории термической обработки.
Известно, что в аморфных телах атомы расположены хаотично, что приводит к одинаковости их свойств по всем направлениям. Это явление получило название изотропия.
Неодинаковость же плотности атомов в кристаллах приводит к разности свойств в зависимости от направления. Явление неодинаковости свойств в различных направлениях называют анизотропией.
Разница свойств по различным направлениям может достигать весьма высоких значений, так у кристаллов железа такое различие составляет до двух раз.
Однако анизотропия характерна для монокристаллов. Реальные же металлы и сплавы состоят из совокупности монокристаллов, причем различно ориентированных.
Различная ориентировка монокристаллов приводит к изотропности.
Однако в случае обработки металлов давлением структура приобретает направленный характер ; что естественно приводит к различию свойств по направлениям.
Материал становится анизатропным. Структура, имеющая определенную ориентировку - называется текстурой. Анизотропия применяется при конструировании машин.
1.1.3 Дефекты строения кристаллических тел
Реальные металлы и сплавы в обязательном порядке имеют дефекты строения:
Точечные дефекты.
Линейные дефекты.
Поверхностные дефекты.
Точечные дефекты - характеризуются весьма малыми размерами в трех измерениях. Величина этих дефектов не превышает нескольких атомных расстояний. Различают три вида дефектов.
Вакансии - пустой узел кристаллической решетки.
Дислоцированные атомы - атомы, находящиеся в междуузельных промежутках.
Примесные атомы - атомы других элементов, находящиеся в кристаллической решетке.
Точечные дефекты фактически не влияют на механические свойства, но повышают электросопротивление.
Линейные дефекты - характеризуются малыми размерами в двух направлениях, но имеют значительную величину в третьем направлении.
Существует два вида линейных несовершенств:
краевые дислокации;
винтовые дислокации.
Дислокация - линейное несовершенство кристаллической решетки.
Краевая дислокация - представляет собой край «линией полуплоскости» в решетке.
Винтовая дислокация образуется неполным сдвигом кристалла по плоскости Q.
Наиболее важным параметром дислокационной теории является плотность дислокаций.
= l / V,
где l - суммарная длина дислокаций (см);
V - единица объема кристалла (см3).
Плотность дислокаций после пластической деформации может достигать до 1012 см-2. Превышение этой плотности приводит к появлению трещины.
Дислокации играют значительную роль:
в фазовых превращениях;
вдоль дислокаций значительно увеличивается скорость диффузии;
дислокации служат местом концентрации примесей;
в микроэлектронике у пленочных кристаллов выполняют роль проводящих каналов;
оказывают очень значительное влияние на прочностные свойства металлов и сплавов.
зона прочности буферных «усов», полученных выращиванием кристаллов. Сталь: Т = 13000 МПа (теоретическая прочность), Ф = 250 МПа (фактическая прочность).
Зона падения прочности. Плотность дислокаций ограничена, что позволяет легче происходить процессам сдвига (отожженная сталь).
Зона роста прочности. Плотность дислокаций возрастает и они возникают в разных плоскостях и направлениях. При перемещении дислокаций в следствии деформирования они мешают перемещаться друг другу (заклиниваются) и происходит их аннигиляция (уничтожение). Повышение плотности приводит ко все большему затруднению движения и металл упрочняется.
Препятствия к движению дислокаций создаются: 1) Ведение в металл других элементов. 2) Наклепом. 3) Термообработкой. 4) Снижением температуры его работы.
Таким образом, увеличение прочности металлов можно достичь двумя путями:
Получением сверхчистых материалов с идеальной кристаллической решеткой.
Увеличением числа несовершенств структуры, что будет препятствовать перемещению дислокаций.
Поверхностные дефекты - характеризуются малой толщиной и значительными размерами в двух измерениях. Как правило это место стыка двух кристаллических решеток. Поверхностные дефекты это: границы зерен, границы фрагментов внутри зерен, границы блоков внутри фрагментов.
Поверхностные дефекты, как и дислокации, в значительной степени влияют на механические свойства металлов и сплавов.
Границы зерен. Неупорядоченное строение границы зерна приводит к скоплению дислокаций и увеличению их прочности, что препятствует движению (перемещению). С одной стороны дефекты на границах улучшают свойства материала, а с другой, при превышении некоторой величины могут снижаться (например чугун - графит).
Величина зерна. Снижение величины зерна приводит:
к увеличению предела текучести и предела прочности;
к увеличению пластичности и вязкости.
1.1.4 Кристаллизация металлов
Кристаллизация - процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Различают два вида кристаллизации.
Первичная - переход металла из жидкого (парообразного) состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.
Вторичная - образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.
1.1.6 Механизм процесса кристаллизации
Процесс кристаллизации состоит из 2-х элементарных процессов:
зарождение центров кристаллизации;
роста кристаллов из этих центров.
Рассмотрим схематично кристаллизацию металлов.
При температуре близкой к температуре затвердевания образуются группировки атомов (фруктуации). Из части этих фруктуаций образуются центры кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации в единицу времени
Вокруг центров начинают расти кристаллы и одновременно образуются новые центры кристаллизации.
Увеличение общей массы затвердеваемого металла происходит за счет возникновения новых центров кристаллизации и за счет роста кристаллов.
Конец роста кристаллов - образование структуры металла. Как видно, зерна имеют неправильную форму. Это связано со взаимным и одновременным ростом кристаллов
Известно, что дисперсность структуры в значительной степени зависит от скорости кристаллизации. В свою очередь скорость кристаллизации слагается из двух слагаемых:
скорость зарождения центров кристаллизации (С3);
скорость роста кристаллов (СР) .
При малом переохлаждении (Т1) скорость роста кристаллов велика по сравнению со скоростью зарождения и в этом случае структура будет представлена крупными кристаллами.
При значительном переохлаждении скорость зарождения центров выше, чем скорость роста и поэтому металл будет иметь мелкозернистую структуру
1.2.1 Свойства металлов и сплавов
Металлы и сплавы обладают (должны обладать) рядом свойств. В настоящее время различают:
физические свойства - определяют поведение металлов и сплавов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К ним относятся: плотность, теплоемкость, температура плавления, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность;
химические свойства - способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами. К химическим свойствам относятся: сопротивляемость окислению, сопротивляемость проникновению газов и активных веществ. Примером химического взаимодействия является коррозия;
технологические свойства - способность металлов подвергаться горячей и холодной обработке. В комплекс этих свойств входят технологичность: при сварке, обработке резанием, обработке давлением;
механические свойства - способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием различных нагрузок, температур, сред. К механическим свойствам относятся: твердость, прочность, пластичность, упругость, вязкость, износостойкость. Эти свойства являются определяющими в системе всех свойств.
1.2.2 Упругая и пластическая деформация
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации бывают двух типов:
упругие;
пластические.
Упругой деформацией называют деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, ранее прилагаемой к телу.
Пластической деформацией - называют деформацию, которая сохраняется после снятия нагрузки.
Для упругой деформации характерны небольшие нагрузки. При значительных нагрузках пластические деформации могут перерастать в появление трещин и, как следствие, в разрушение.
Упругая и пластическая деформации имеют достаточно глубокие различия (даже принципиальные) в своей физической сущности.
1.2.2.1 Упругая деформация
Приложения нагрузки Р приводит к смещению атомов кристаллической решетки, однако, нагрузка в данном случае столь мала, что разрыва межатомных связей не происходит. Вследствие чего после снятия нагрузки Р сместившиеся атомы под действие атомарных сил возвращаются в исходное положение. Тело принимает первоначальную форму и размеры.