Диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Проведения лекционного занятия

по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»

для курсантов 2 курса по специальности 20.05.01

«Пожарная безопасность»

ТЕМА № 1

«ВВЕДЕНИЕ»

Обсуждена на заседании МС

протокол №__ от «___»________2015 г.

 

Владивосток

2015 г.

I. Учебные цели

1. Довести до сведения курсантов понимание места и значения курса «Материаловедение и технология материалов» в системе естественнонаучных и специальных технических дисциплин, рассмотреть современные представления о строении металлов и сплавов.

2. Изучить качественные ключевые понятия дисциплины «Материаловедение и технология материалов», получить представления об их взаимосвязи. Рассмотреть конструкционные металлы и сплавы как основу современной техники.

3. Рассмотреть диффузионные процессы в металле и формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации.

4. Изучить механические свойства металлов и сплавов, процессы, протекающие при пластической деформации.

5. Выявить влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

II. Воспитательные цели

Формировать у обучающихся знания, умения и навыки, позволяющие решать задачи, стоящие перед ГПС. Морально-психологическая подготовка слушателей для ведения работ на опасных объектах.

 

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1.Роль дисциплины «Материаловедение» в подготовке бакалавров по направлению 280705.65 2. Современные материалы в промышленности, технике и аппаратах, их причастность пожарам, авариям и катастрофам. 3. Механические свойства металлов. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

IV. Литература

Основная:

1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие / Под ред. В.С. Артамонова – СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 312 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов. Под ред. Чередниченко В. С. – 4-е изд., стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 752 с.

3. Материаловедение и технология материалов: курс лекций. Под ред. Артамонова В.С.; МЧС России. – СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2008. – 112 с.

 

Дополнительная:

1. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. – М.: Высш. шк., 2001. – 637 с.

2. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622 с.

3. Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с.

Нормативные правовые акты

Технический регламент о требованиях пожарной безопасности от 22 июля 2008 го №123-ФЗ

V. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, портативный компьютер.

2. Слайды, плакаты.

 

VI. Текст лекции

Введение.

Уровень развития научно-технического прогресса и экономического потенциала любой страны определяется, главным образом, разработкой и развитием новых материалов и новых технологических процессов. Естественно, что проектирование и создание конкурентоспособных машин, механизмов, строительство сооружений и других конструкций, обладающих высокими показателями, также тесно связано с техническим и технологическим обеспечением всех отраслей промышленности, с высоким, непрерывно растущим уровнем знаний инженерно-технического состава.

Пожарная техника, особенно перспективная, должна иметь высокие тактико-технические, эксплуатационные, экономические и эргономические показатели. К сожалению, на сегодняшний день она весьма далека от необходимого уровня требований.

В самом деле, нас не может удовлетворить такой факт, что наша техника имеет большую массу, малую приемистость, требует больших затрат в период эксплуатации, имеет малый срок службы, не все машины обладают хорошей проходимостью, отличаются удобством и комфортностью, высокой маневренностью. По имеющимся данным, удельная металлоемкость машиностроительной продукции по натурально-стоимостной оценке выше чем в США в среднем на 20–25%. Повышенная металлоемкость обусловливается недостатками в конструкции машин и оборудования, нерационально используемых материалов, дефицитом прогрессивных металлопродукций, устаревшими нормами и методами расчета. Дополнительный перерасход металла, связанный с повышенной металлоемкостью изделий, оценивается в 5–6,5 млн. тонн.

Нас не могут также удовлетворять и качество применяемых материалов, поскольку детали приходиться заменять буквально через 2-3 года. Статистические данные свидетельствуют о том, что в результате несовершенной структуры конструкционных материалов ежегодный перерасход только стали и чугуна, составляет не менее 6 – 6,5 млн. тонн.

Наличие перечисленных недостатков, нарушения или изменения условий использования с целью увеличения экономических показателей, нередко являются причинами аварий, катастроф и пожаров. Ликвидация таких катастроф, их профилактика, требует грамотного подхода.

Таким образом, говоря о материалах, применяемых в технике вообще и, в пожарной технике в частности, можем констатировать, что на сегодняшний день они составляют проблему многих, не решенных задач на всех стадиях жизненного цикла.

Наша задача, как организаторов эксплуатации техники, заключается в том, что бы зная основные виды применяемых конструкционных материалов, их свойства, реальные условия эксплуатации техники, ее узлов и механизмов, условия которые заложены в расчет при ее проектировании, добиться таких ее основных показателей при использовании как надежность, безотказность, ремонтопригодность и долговечность.

Отсюда основной цельюизучения дисциплины «Материаловедение и технология материалов» является формирование у обучающихся инженерных знаний по теоретическим основам материаловедения и технологии материалов, о материалах, применяемых в пожарной технике, их классификации и свойствах, обработке деталей, их улучшении и упрочнении, а также выработка умений и навыков по использованию полученных знаний при оценке надежности промышленных аппаратов и организации эксплуатации пожарной техники.

Основные задачи предмета заключаются в изучении:

– структуры материалов, ее формирования при кристаллизации, диффузионных процессов в металлах, аллотропических превращений под действием температуры; строения металлических сплавов, структурных составляющих железоуглеродистых сплавов и диаграммы состояния железо-углерод;

– технологических основ производства чугунов и сталей, их классификации, маркировки и области применения;

– классификации и сущности способов получения и соединения заготовок, основ термической и химико-термической обработки деталей;

– основ производства деталей методом порошковой металлургии и деталей из полимерных материалов;

Структура предмета обосновывается его задачами и включает изучение двух разделов:

1. Материаловедение.

2. Технология материалов.

Весь курс рассчитан на 102 часа: из них 52 часа с преподавателем и 50 часов самостоятельного изучения.

Далее преподаватель объявляет тему лекции, ее цели, изучаемые вопросы.

1. Конструкционные металлы и сплавы – основа современной техники.

Перечень материалов, используемых в различных областях промышленности весьма разнообразен. Для изготовления пожарной техники используется те же материалы, которые широко распространены в автомобилестроении, сельхозмашиностроении, станкостроении и т.д.

Все материалы по своей применимости делятся на три группы:

1. конструкционные;

2. вспомогательные;

3. эксплуатационные.

Каждая из названных групп включает различные виды материалов.

Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Среди конструкционных материалов главными являются металлы. Они условно подразделяются на два вида:

1. черные металлы и их сплавы;

2. цветные металлы и их сплавы.

Из черных металлов наибольшее распространение получило железо и его сплавы с углеродом – называемые сталями и чугунами. Из цветных металлов в качестве конструкционных наибольшее применение нашли такие материалы как: алюминий, медь, цинк и др.

К вспомогательным материалам относятся следующие виды материалов: пластмассы, резина, различные композиционные материалы, древесина, силикатные материалы и т.д. Из группы эксплуатационных материалов можно отметить различные горюче-смазочные и лакокрасочные, тормозные и охлаждающие жидкости.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Поэтому в данном курсе наибольшее внимание уделяется конструкционным материалам, а именно металлам и их сплавам.

Металлами называются вещества, обладающие высокой электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и своеобразным металлическим блеском. Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Характерным для металлов так же является кристаллическое строение в твердом состоянии. М.В. Ломоносов в трактате «Первые основы металлургии или рудных дел» давал следующее определение металлам: «металлом называется светлое тело, которое ковать можно». Из всех металлов и сплавов наиболее важную роль имеют черные металлы, а именно железо и его сплавы – стали и чугуны. Доля производства стали составляет около 95% всех металлических материалов. На долю в мировом производстве приходится по чугуну 28%; по стали 23%. Современное производство стали в мире превышает 600 млн. тонн в год и по крайней мере на ближайшее столетие сталь сохранит свое значение как важнейший конструкционный материал. Из других наиболее интенсивно развивается производство алюминия и его сплавов.

Основой широкого применения металлов, как основного конструкционного материала, являются их высокие механические свойства.

 

Строение металлов.

Общим для всех металлов и сплавов является кристаллическое строение, что хорошо наблюдается на изломах деталей. Оно характерно тем, что атомы металлов и сплавов образуют пространственно-кристаллическую решётку, состоящую из элементарных кристаллических ячеек (объёмов металла), расположенных строго упорядоченно по всем осям координат. Типы элементарных кристаллических ячеек у разных металлов различны. Неодинаков и порядок расположения атомов в решётках. Многие важнейшие металлы образуют кристаллическую решётку с элементарными ячейками в виде куба с ядром в центре, то есть решётку объемно-центрированного куба (хром, вольфрам, молибден, ванадий и др.) рис. 1.1.

 

Рис. 1.1. Типы элементарных кристаллических ячеек и схема упаковки в них атомов: а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная решетка

 

Другие металлы, как, например медь, никель, алюминий, свинец и др., образуют решётку с элементарной ячейкой также в виде куба, но с атомами, расположенными не только в узлах куба, но и в середине каждой грани, то есть ячейки с гранецентрированным кубом.

Третьи металлы, например магний, титан, цинк и др. образуют решётку из пространственной призмы, то есть гексагональную плотноупакованную. Атомы в ячейках распложены взаимно упорядоченно. Силы притяжения и отталкивания в ячейке уравнены. Тело сохраняет свою форму, объём и обладает большим сопротивлением сдвигу. Расстояние между соседними атомами в элементарной ячейке определяют размеры этой ячейки, которые измеряются в ангстремах, обозначаются буквой Å, 1Å=1×10^{-8 см. Обычно размеры ячейки составляют несколько ангстремов. Так для металлов с кубической решёткой её величина составляет (2,86 ÷ 6,0)}×10^{-8 см, т.е. 2,86-6,0 Å. В кристаллических материалах расстояние между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Из-за неодинаковой плотности атомов, в разных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией. Разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. Так при измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочность кристаллов железа более чем в 2 раза.}

Анизотропия характерна для одиночного кристалла. Для большинства технических металлов, затвердевших в обычных условиях, имеется поликристаллическое строение, ориентированное в различных направлениях. Поэтому такое тело характеризуется квазиизотропией, то есть кажущейся независимостью свойств от направления испытания. При обработке давлением большинство зёрен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку, и металл становится анизотропным. Это может приводить к деформации изделия (расслоению, волнистости и др.) Это, соответственно должно учитываться при конструировании и разработке технологии получения детали.

Некоторые металлы изменяют своё кристаллическое строение, то есть тип кристаллической решётки, в зависимости от изменения внешних условий – температуры и давления. Процесс перегруппировки атомов и переход одного вида кристаллической решётки в другую называется аллотропическим превращением. Модификация одного и того же металла, но с разной кристаллической решёткой обозначается начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д. Так у железа существует все 4 аллотропических превращений, происходящих при разных температурах и обозначаемых Fe_α, Fe_β, Fe_γ, Fe_δ (рис. 1.2); аналогичные модификации имеет марганец. Аллотропией обладают около 30 металлов

Рис. 1.2. Кривая нагрева и охлаждения железа

Диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации.

Рассмотренные выше кристаллические решетки являются идеальными. Однако в реальных условиях в металлах в их твёрдом состоянии имеют место диффузионные процессы, то есть перемещение атомов из своих нормальных положений. Скорость диффузии мала, но увеличивается с повышением температуры. При определенной температуре, когда амплитуда колебаний атомов сильно увеличивается, возможен срыв атома со своего места и переход его на другое, освобожденное другим атомом. Колебания и диффузия атомов обуславливает наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решётке, и оказывающих существенное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные рис. 1.3.

Рис. 1.3. Точечные дефекты: а – вакансии; б – дислокации

 

Точечные дефекты – дефекты, размеры которых во всех трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относятся вакансии - наличие свободных мест (отсутствие атомов) в узлах кристаллической решетки; дислокации - наличие атомов основного вещества, перемещенных из узла в позицию между узлами; чужеродные атомы внедрения; чужеродные атомы замещения.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Этими несовершенствами могут быть ряд вакансий или ряд межузельных атомов. Особыми и важнейшими видами линейных несовершенств являются дислокации – краевые и винтовые (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Линейные дефекты: а – краевые дислокации; б – винтовая дислокация

 

Краевая дислокацияпредставляет собой линию QQ', вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости или экстраплосткости PP'QQ'.

Кроме краевых, различают винтовые дислокации. На рис. 1.4 показана пространственная модель винтовой дислокации – это прямая линия EF, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. Обойдя верхнюю атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю второй атомной плоскости и т.д. В этом случае кристалл можно представить как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Они наиболее характерны для границ зёрен и блоков, к ним относятся также дефекты упаковки кристаллов. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нём дислокаций, так как при переходе через границу плоскость скольжения не сохраняется неизменной.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации металла и фазовых превращений.

Плотность дислокации может достичь большой величины. Под плотностью дислокации обычно понимают суммарную длину дислокаций на единицу объёма кристалла, то есть см/см³ или см^-2. Для отожженных металлов плотность дислокации составляет 10⁶ ÷ 10⁸ см ^-2 , после холодной деформации она увеличивается до 10¹¹ ÷ 10¹² см ^-2 , что составляет примерно 1 млн. километров в 1см³. Наличие дислокации даёт возможность чётко объяснить различие в теоретической и фактической прочности металлов.

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 1.5.

Рис.1.5. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

 

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_s. – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации Т_кр.

Разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения: ΔТ=Т_S -Т_кр. Чем больше степень переохлаждения, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.

При переходе аморфного тела из жидкого состояния в твердое никаких качественных изменений в строении металла не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично как и в жидком, но только более компактно и вследствие этого имеют более ограниченную свободу перемещения.

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе и металлов, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое и обратно.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 1.6.

Рис.1.6. Кривая охлаждения чистого металла

 

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации. Иногда в жидкий металл специально добавляют небольшое количество веществ-модификаторов, чтобы получить нужное строение металла в отливках. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность выше, если металл имеет мелкое зерно.

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

Каждый кристалл металла ориентирован в пространстве произвольно. Форма кристаллов – произвольная. Форма первичных кристаллов напоминает форму дерева, поэтому их называют дендритами. Такая форма кристаллов объясняется тем, что зародыши растут в направлении с минимальным расстоянием между атомами, то есть образуется главная ось, а затем начинают расти оси второго порядка и т.д. Последние порции жидкого металла заполняют межосные пространства. Правильная форма дендрита искажается в результате их соприкосновения в процессе роста. С учетом этого в слитке наблюдается: по границам зерен мелкозернистая структура, а в центре слитка – зона крупных неориентированных кристаллов. Может образовываться даже рыхлость, усадочные раковины. Однако это вторичные дефекты, по сравнению с первичными в кристаллической решетке. Вторичные дефекты структуры (раковины, рыхлости) устраняются термообработкой. Первичные дефекты (в решетке) не устраняются.