Шпаргалки по металлическим конструкциям и сварке - файл n1.doc

Шпаргалки по металлическим конструкциям и сварке
скачать (1138.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1139kb.07.11.2012 00:48скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5




  1. Металловедение.

Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных.


  1. Металл. Классификация металлов.

Металлы — это непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью.

Металлы делятся на две группы:

Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:




  1. Свойства металлов.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:




  1. Механические свойства металлов.

Основными характеристиками механических свойств металлов являются: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность металла или сплава – это его способность сопротивляться разрушению или пластической деформации под действием внешних сил (нагрузок). Наиболее простым и распространенным методом определения прочности материала является испытание его на растяжение. Концы образца металла круглого сечения зажимают в разрывной машине и подвергают действию растягивающей нагрузке Р.

П
Рис. 2
од действием нагрузки в материале возникают деформации. Деформацией называется изменение размеров и формы тела, она может быть упругой и пластической.

Пластичность – это способность металла, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять измененную форму после снятия нагрузки. Пластичность металлов определяется также при испытании на растяжение. По величине удлинения образца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности материала. Чем больше удлиняется образец, тем более пластичен металл.

Относительным удлинением ? называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах:



где l1 – длина после разрыва, мм; l0 – первоначальная длина расчетной части образца, мм.
Относительное сужение ? – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после испытания к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:



где F0 – площадь поперечного сечения образца до начала испытания, мм2; F1 – площадь поперечного сечения в месте разрыва образца после испытания, мм2.
Ударная вязкость – это способность металлов и сплавов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок. Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы того или иного механизма испытывают кратковременную ударную нагрузку.

Для испытания материала на ударную вязкость изготовляют стандартные образцы с надрезом в виде брусков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытания проводят на специальном устройстве – маятниковый копер. Маятник с закрепленным грузом, массой 10, 15 и 30 кг поднимают на определенную высоту и закрепляют в это м положении защелкой. После освобождения маятник падает и производит удар по образцу со стороны, противоположной надрезу.

где: F0 - площадь поперечного сечения в месте надреза

Твердость – это свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформаций. Твердость тесно связана с такими важными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износоустойчивость. Есть несколько методов определения твердости, наиболее широкое распространение получили следующие: вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля (НВ)); вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла(HRC, HRA)); вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса (HV)).

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определятся как отношение нагрузки Р (кг), приходящейся на 1 мм2 сферической поверхности отпечатка F, по формуле




  1. Наклеп.

Металла в процессе пластической деформации упрочняется до так называемого временного предела прочности ?в, затем разрушается. Такое упрочнение называется наклепом или нагартовкой. Оно может происходить при холодной пластической деформации (растяжении, сжатии, изгибе и т.п.). Так, например, согнуть гвоздь значительно легче, чем выправить. После изгиба металл гвоздя упрочняется, но после многократного перегиба наступает разрушение.

Степень холодной пластической деформации (степень наклепа) можно выразить через коэффициент:



где F0 – площадь сечения до деформации; F – площадь сечения
Упрочнение металла при наклепе объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов), а также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажением кристаллической решетки. В результате наклепа образуется волокнистая, направленно ориентированная структура, которая называется текстурой, обладающая значительной анизотропией (неоднородность) свойств. В некоторых случаях наклеп является единственным способом упрочнения металлов и сплавов, которые не упрочняются термической обработкой, например, чистые металлы, однофазные сплавы твердых растворов. Наклеп металла происходит в результате проведения таких технологических операций, как прокатка, волочение, ковка, штамповка, дробеструйная обработка и др.



  1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов, т.е. упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших участках кристаллов.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

П
Рис. 2
одавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в узлах ячейки и один атом – в центре объема куба. Кубическую объемно-центрированную решетку имеют металлы: железо, хром, ниобий, вольфрам, ванадий и др.

В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют металлы: железо, никель, медь, золото и др.

В гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы: магний, цинк и др.


  1. Процесс кристаллизации расплавов металлов.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры кристаллизации Тп, при которой жидкая и твердая фаза могут сосуществовать одновременно и притом бесконечно долго. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

При переохлаждении сплава ниже температуры Тпл во многих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши, называемые критическими.

Процесс кристаллизации протекает тем быстрее, чем больше образуется зародышей (центров кристаллизации) в единицу времени и в единице объема и чем больше скорость их роста.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша (зерно) и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

На размер зерна оказывают влияние: температура нагрева и разливки жидкого металла; химический состав и особенно присутствие в металле посторонних примесей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным.



  1. Дефекты кристаллического строения металлов.

В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на: точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двухмерные).

Точечные дефекты – это вакансии (узлы решетки, в которых отсутствуют атомы), атомы в междоузлии, а также атомы примесей в узлах или междоузлиях. Точечные дефекты нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке на одно или несколько межатомных расстояний.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем и называются дислокациями. Дислокация может быть прямой (краевая) или изогнутой (винтовая). Образуются дислокации в процессе кристаллизации или пластической или пластической деформации. Дислокации могут перемещаться, образовывать скопления и исчезать при взаимодействии с точечными дефектами и друг с другом. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Важной характеристикой дислокации является их плотность, т.е. суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема кристалла V:



Поверхностные дефекты – это границы зерен и поверхность самого кристалла. Они представляют собой переходную зону в 5…10 межатомных расстояний между зернами с разной кристаллографической ориентацией или между зерном и окружающей средой.

Объемные дефекты – это включения другого вещества, крупные трещины, микропустоты (каверны).


  1. Коррозия металлов.

Металлические материалы, приходя в соприкосновение с окружающей их средой, подвергаются с той или иной скоростью разрушения. Металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами, находящимися в окружающей среде, и окисляются. Это является причиной разрушения.

Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды, называется коррозией.

К основным видам коррозии относятся:

Коррозия в газах происходит при повышенных температурах, когда конденсация влаги на поверхности металла невозможна. Газовой коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.п. Газовую коррозию претерпевает металл, подвергаемый термической обработке. В результате газовой коррозии на поверхности металла образуются оксиды, сульфиды и др. соединения.

К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах и коррозия металла, находящегося во влажной атмосфере. В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводиться к образованию нерастворимых продуктов (например, ржавчина) и к переходу металла в раствор в виде ионов.

Скорость коррозии зависит от природы металла и окислителя, от концентрации окислителя, а также от содержания различных примесей в металле и в коррозионной среде – в атмосфере и в растворе.

Для защиты от коррозии применяются разнообразные методы, важнейшими из которых являются:

Покрытия, применяемые для защиты металлов, подразделяются на:

Метод обработки внешней среды состоит в удалении из раствора, в котором эксплуатируется защищаемая деталь, растворенного кислорода или в добавлении к этому раствору веществ, замедляющих коррозию, - ингибиторов. Применяется, когда объем жидкости ограничен.


  1. Ингибиторы.

Введение ингибиторов коррозии – веществ, присутствие которых в малых количествах в агрессивной среде предотвращает или значительно снижает скорость коррозии. Ингибиторы вводятся в масла, смазки, топливо, тормозные жидкости и т.д. По условиям применения ингибиторы делят на предназначенные для растворов и на летучие вещества, тормозящие атмосферную коррозию. Ингибиторы делятся на катодные, анодные и смешанного действия.

Анодные ингибиторы уменьшают скорость коррозии за счет образования защитных пленок (оксидных и более сложного состава) на анодных участках металла. Их ингибирующее действие проявляется только в присутствии растворенного кислорода.

Катодные ингибиторы уменьшают скорость коррозии за счет затруднения доступа деполяризатора (окислителя) к поверхности металла.

Ингибиторы смешанного действия наиболее эффективны и уменьшают скорости как анодной так и катодной реакций.


  1. Полиморфизм. Анизотропия.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как называют, в разных модификациях. Существование вещества в различных кристаллических формах называется полиморфизмом или аллотропией.

Кристаллические модификации одного и того же металла обозначаются буквами греческого алфавита: ?, ?, ?, ? и т.д.

Переход одной кристаллической модификации в другую совершается при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла при охлаждении и поглощением тепла при нагревании. Поэтому на кривой «температура – время» полиморфному превращению соответствует горизонтальный участок.
О
Рис.3
дним из проявлений кристаллического строения веществ является анизотропия, под которой понимается неодинаковость свойств кристаллов в различных направлениях. Различие свойств может быть очень большим. Например, у кристалла цинка коэффициент линейного расширения в двух взаимно перпендикулярных направлениях различается в четыре раза. Прочность кристалла железа в двух взаимно перпендикулярных направлениях различается более, чем в два раза.

Анизотропия кристаллов объясняется неодинаковой плотностью упаковки атомов в различных плоскостях и направлениях кристаллической решетки.

Анизотропия свойственна одиночным кристаллам или так называемым монокристаллам. Большинство же промышленных металлов имеет поликристаллическое строение, т.е. состоит из множественных кристаллитов или зерен, кристаллическая решетка которых произвольно ориентирована в пространстве. Каждое зерно в отдельности анизотропно, но в целом, из-за большого числа зерен, свойства данного поликристаллического металла получаются усредненными в любом направлении.


  1. Диффузия. Механизмы диффузии.

Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах (процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами), носят диффузионный характер.

Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие среднее межатомные расстояния данного вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией.

Перемещение атомов, сопровождающееся изменением концентрации, происходит в сплавах или металлах с повышенным содержанием примесей и называется диффузией или гетеродиффузией.

В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блуждания, т.е. ряд скачков между различными равновесными положениями в решетке.

Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле (металле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: циклический, обменный, вакансионный и межузельный.

По циклическому механизму диффузионный перескок представляет собой совместное перемещение (циклическое вращение) группы атомов. Такое вращение не требует большой энергии, но маловероятно. Обменный механизм является частным случаем циклического (группа из двух атомов) и заключается в обмене соседних атомов. При вакансионным механизме атом обменивается с вакансией, а при межузельном он переходит в состояние равновесия в ближайшее междоузлие. В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму. В этом случае на место вакансии может переместиться атом, обладающий повышенной энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома, и ее может занять другой атом.

При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом происходит диффузия по межузельному механизму.

Скорость диффузии определяется кол-вом вещества m, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Кол-во диффундирующего вещества m зависит от градиента концентрации dC/dх элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D:


где dC – концентрация; dх – расстояние в выбранном направлении.
Эта зависимость получила название первого закона Фика. Знак минут указывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большей концентрацией к объемам с меньшей концентрацией. Если градиент концентрации изменяется во времени ?, то процесс диффузии описывается вторым законом Фика:



Коэффициент диффузии D (см2/с), т.е. кол-во вещества, диффундирующего через единицу площади (1 см2), в единицу времени (1с) при перепаде концентрации, равном единице, зависит от природы сплава, размеров зерна и особенно сильно от температуры. Температурная зависимость коэффициента диффузии подчиняется экспоненциальному закону



где D0 – предэкспоненциальный множитель, величина которого определяется типом кристаллической решетки; Q – энергия активации, ккал/(г*атом); R – газовая постоянная, 1,987 кал/(моль°C); Т – температура, К.


  1. Сплавы.

Сплавы – это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или более компонентов.

Компоненты – простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. При сплавлении все компоненты сплава первоначально находятся в жидком состоянии; при спекании, по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии. Сплавы могут состоять только из металлов, например латуни – это сплавы двух металлов: меди и цинка, или металлов и неметаллов, так наиболее распространенные в технике материалы – стали и чугуны являются сплавами железа и углерода.


  1. Фазы металлических сплавов.

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодействие с образованием различных фаз. Различают следующие фазы металлических сплавов: жидкие растворы; твердые растворы; химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные кол-ва которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворяются друг в друге в жидком состоянии неограниченно. При этом образуется однородный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов металла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а растворимый элемент (металл или неметалл) распределяется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:




  1. Диаграммы состояния сплавов.

Диаграмма состояний сплавов – это графическое изображение фазового состава в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Диаграммы состояния строят для условий равновесия при очень медленном нагреве и охлаждении. Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз Гиббса. Оно дает количественную зависимость между степенью свободы системы и числом фаз и компонентов.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которые можно изменить без изменения числа фаз в системе. Математическое выражение правила фаз записывается в виде:



где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; Ф – число фаз, находящихся в равновесии; 2– число изменяющихся внешних факторов (температура, давление).
Для металлических систем, когда давление мало влияет на фазовое равновесие, уравнение примет вид:



Диаграммы состояний строят по кривым охлаждения методом термического анализа для сплавов конкретной концентрации компонентов. В зависимости от условий растворимости компонентов друг в друге в твердом состоянии различают четыре основные диаграммы состояния 1, 2, 3 и 4 рода.


  1. Диаграмм состояний для сплавов, компоненты которых нерастворимы в твердом состоянии (1 рода).

Оба компонента (А и В) в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений (рис. 4, а), где:

А – температура плавления компонента А; В – температура плавления В.

В
Рис.4
ерхняя линия – АСВ является линией ликвидус, выше которой любой сплав находится в жидком состоянии (она показывает температуру начала кристаллизации сплавов при охлаждении). Линия ДСЕ – линия солидус и одновременно линия эвтектического превращения (она показывает температуру конца кристаллизации сплавов). На линии АС при охлаждении начинают выделяться кристаллы компонента А, а на линии ВС – кристаллы компонента В. На линии ДСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В, т.е. образуется эвтектика, что можно записать в виде уравнения: Жс ? Э(А+В). У эвтектического сплава (соответствующего концентрации точки С) нет температурного интервала кристаллизации, как у доэвтектических (расположенных левее точки С) и заэвтектических (расположенных правее точки С) сплавов. Ниже линии солидус любой сплав находится в твердом состоянии.

Для того, чтобы указать фазы на диаграмме состояния, можно поступить двумя способами.

Первый способ (рис. 4, б). Выше линии ликвидус АСВ любой сплав находится в жидком состоянии. Эта область диаграммы обозначается буквой Ж (жидкость). Ниже линии солидус ДСЕ любой сплав состоит их механической смеси компонентов А и В, т.к. они в твердом состоянии нерастворимы друг в друге (эта двухфазная область обозначена А+В). В области АСД идет процесс кристаллизации компонента А из жидкости. Эта область, как и предыдущая, является двухфазной и обозначена А+Ж. В области ВСЕ идет процесс кристаллизации компонента В из жидкости. Область ВСЕ тоже двухфазная и обозначена В+Ж.

Второй способ предусматривает определение фаз на диаграмме с помощью горизонтальных отрезков – изотерм (рис. 4, в). Такой отрезок проводится в области, где требуется определить фазовый состав до пересечения с линиями диаграммы. Концы отрезка укажут фазы, находящиеся в равновесии в данной области и при данной температуре. Так, в области АСД горизонтальный отрезок упирается в вертикальную линию чистого компонента А и в линию ликвидус АС (однофазную область Ж на диаграмме). Отсюда делается заключение, что в области ВСД присутствуют две фазы – А и Ж. В области ниже линии ДСЕ изотерма упирается в линии, соответствующие чистым компонентам А и В. Следовательно, фазовый состав этой области А+В.

Для того чтобы указать на этой диаграмме структурные составляющие, разделим все сплавы на доэвтектические (до концентрации точки С) и заэвтектические (за точкой С) (рис. 4, г). Выберем какой-нибудь сплав (например, заэвтектический) и проведем вертикальную линию, соответствующую концентрации выбранного сплава. Обозначим точки пересечения линии сплава с линиями диаграммы цифрами – 1,2,3,4. Из них точки 2 и 3, находящиеся на линии ликвидус и солидус, будут критическими для выбранного сплава.


  1. Диаграмм состояний для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (2 рода).

Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений. В этом случае возможно существование только двух фаз: жидкого раствора – Ж, находящегося на диаграмме выше линии ликвидус, и твердого раствора – ?, находящегося на диаграмме ниже линии солидус (рис. 27). Диаграмму 2 рода образуют, например, сплавы систем: «никель-медь», «серебро-золото», «железо-никель», «медь-золото», «медь-платина», «железо-хром» и др.

С
Рис.6
помощью правила отрезков определим состав и кол-во фаз, например для состояния, соответствующего точке
k. Для этого через точку k проведем горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими двухфазную область на диаграмме (точки l и s, рис. 6). В соответствии с правилами рычага отрезки горизонтальной линии между точкой k и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны кол-вам этих фаз. Откуда кол-ва фаз можно определить из соотношений:



где Qж, Q? – кол-во жидкой фазы и ? – твердого раствора; ls – длина горизонтальной линии в %; l – состав жидкой фазы; s – состав ? – твердого раствора.

Во всем интервале кристаллизации из жидкого сплава с концентрацией компонентов, отвечающей точке k, происходит постоянное выделение новых кристаллов. Причем состав первых кристаллов определяется проекцией точки s, лежащей на линии солидус. Заканчивается выделение новых кристаллов сплава k в точке bґ, когда затвердевает последняя капля жидкости, имеющая состав, определяемый проекцией точки lґ, лежащей на линии ликвидус.

Отсюда следует, что при охлаждении сплава в интервале кристаллизации состав жидкой фазы в соответствии с правилом отрезков меняется по линии ликвидус, а твердой фазы – по линии солидус.

  1.   1   2   3   4   5


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации