Материаловедение технология металлов реферат
Обновлено: 03.07.2024
При обработке металлов давлением полуфабрикаты и изделия получают пластическим деформированием исходной заготовки без снятия стружки. Этот процесс отличается значительной экономичностью, высоким выходом годного и большой производительностью. Обработка давлением можно изготовить детали самых различных размеров (от миллиметра до нескольких метров) и формы.
Обработка металлов давлением обычно преследует две основные цели: получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и улучшение кристаллической структуры исходного литого металла с повышением его физико-механических свойств. Давлением обрабатывают примерно 90% всей выплавляемой стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов.
К обработке металлов давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку, и некоторые специальные процессы, например, отделочную и упрочняющую обработку пластическим деформированием и т.д. Методы обработки металлов давлением классифицируют по схемам технологического процесса.
При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента. Исходный материал для прессования - слитки или отдельные заготовки. Существуют два метода прессования - прямой и обратный. При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение материала из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансон, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей.
Обратное прессование по сравнению с прямым требует меньших усилий и прессостаток в этом случае меньше, однако меньшая деформация при обратном прессовании приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Основное преимущество прессованных изделий - точность их размеров. Кроме того, ассортимент изделий, получаемый прессованием, весьма разнообразен, и этим методом можно получить очень сложные профили.
Основные положения обработки металлов давлением
В основе обработки металлов давлением лежит процесс пластической деформации, при котором изменяется форма без изменения массы. Все расчеты размеров и формы тела при обработке давлением основаны на законе постоянства объема, суть которого заключается в том, что объем тела до и после пластической деформации принимается неизменным: V1=V2=const (V1 и V2 - объемы тела до и после деформации).
Изменения формы тела может происходить в направлении трех главных осей; при этом каждая точка стремится перемещаться в том направлении, в котором создается наименьшее сопротивление ее перемещению. Это положение в теории обработки металлов давлением носит название закона наименьшего сопротивления.
При свободном формоизменении тела в различных направлениях наибольшая деформация происходит в том направлении, в котором большинство перемещающихся точек встречает наименьшее сопротивление своему перемещению.
Нагретую заготовку 1 (рис. 1, а) укладывают на нижний боек 3 и верхним бойком 2 последовательно деформируют отдельные ее участки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.
Ковкой получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковками.
Основной материал заготовок — стали, цветные металлы и сплавы.
Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250 т) типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т.д. В единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически целесообразна. Объясняется это тем, что при ковке используют универсальный (пригодный для изготовления различных поковок) инструмент. Исходными заготовками для ковки тяжелых крупных поковок служат слитки массой до 320 т. Поковки средней и малой массы изготавливают из блюмов и сортового проката квадратного, круглого или прямоугольного сечений.
К основным операциям ковки относятся осадка, протяжка, отрубка, гибка и прошивка (рис. 1).
Рис. 1. Схемы основных операций ковки:
а — осадка; 6 — протяжка; в — гибка; г — отрубка; д — двухсторонняя прошивка;
е — сквозная прошивка
Осадка (рис. 1, а) — операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения.
Протяжка (рис. 1, б) — операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения.
Гибка (рис. 1, в) — операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру.
Отрубка (рис. 1, г) — операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента — топора.
Прошивка (рис. 1, д, е) — операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).
Ковку выполняют на ковочных молотах (машины динамического, ударного действия) и ковочных гидравлических прессах, рис. 2 (машины статического действия).
Штамповка — это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки осуществляют с помощью специального инструмента — штампа.
Рис. 2. Протяжка длинной заготовки на гидравлическом ковочном прессе с нижним расположением цилиндров и рельсовым манипулятором
Течение металла при штамповке ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость по конфигурации поковки.
В качестве заготовок для объемной штамповки в подавляющем большинстве случаев применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда детали штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине. Мерные заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механическими пилами, абразивными кругами, газовой резкой и т.д.
Различают горячую и холодную объемную штамповку.
Кроме того, в зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.
Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает заусенец (облой), который закрывает выход из полости штампа и заставляет металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в заусенец выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности заготовок по массе. Заусенец затем обрезается в специальных штампах.
Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование заусенца в нем не предусмотрено. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следовательно, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность. Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах — уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в заусенец. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную макроструктуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в заусенец. При штамповке в закрытых штампах металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, чем в открытых штампах. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.
15. Белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Их маркировка, способ получения, область применения, структура
Белые чугуны: состав, свойства, область применения.
Углерод находится в виде цементита Fe3C. Излом будет белый, если сломать. В структуре доэвтектического чугуна HB 550 наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100% в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (Лп) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин. Высокая твёрдость, трудно обрабатывается резанием. Гл. свойство: высокая износостойкость. Чугун хрупкий. Редко применяется в машиностроении. Используется при изготовлении жерновов на мельнице, прокатные валки на прокатных станках, изгороди делают из этого чугуна. Если отливка небольшая (до 10 кг), то образуется белый чугун при быстром охлаждении.
Получение: В доменных печах выплавляют белые чугуны трех типов: литейный коксовый, передельный коксовый и ферросплавы.
Серый чугун.
Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу.
Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.
Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное.
Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, при перлитной основе.
Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.
Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.
Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.
Получение: Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293—79) — разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму.
Ковкий чугун.
Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.
Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:Fe3C→Fey(C)+C.
Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).
При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.
Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)
По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.
Получение: Ковкие чугуны— разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается и выделившийся при его распаде графит образует хлопьевидные включения. В зависимости от температуры и длительности выдерживания ковкие чугуны получают на ферритной и ферритно-перлитной основах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Практикум: материаловедение и технология конструкционных: учебное пособие. Часть 1. Материаловедение / М.М. Мишин, М.Н. Мишина,
С.Ю. Астапов. – Мичуринск: Мичуринский ГАУ, 2021. – 93 с.
2. Практикум: материаловедение и технология конструкционных: учебное пособие. Часть 2. Технология конструкционных материалов / М.М.
Мишин, М.Н. Мишина, С.Ю. Астапов. – Мичуринск: Мичуринский ГАУ, 2021. – 104 с.
3. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных
5. Материаловедение в машиностроении. В 2 ч. Часть 1: учебник для вузов / А. М. Адаскин, Ю. Е. Седов, А. К. Онегина, В. Н. Климов. — 2-е изд.,
испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 258 с. — (Высшее
6. Учебно-методическое пособие к выполнению контрольной работы по дисциплине "Материаловедение. Технология конструкционных материалов" с вариантами заданий / Ишбулатова А.Р. – Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011. – 40 с.
7. Адаскин А.М. Материаловедение. - М.: ВШ, 2005. - 455 с.
8. Ржевская С.В. Материаловедение. Учебник. - М.: Логос, 2004.- 420 с.
9. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник. - М.: ВШ, 2007. - 535 с.
10.Ульянина И.Ю. Материаловедение в схемах-конспектах. Учебное пособие в 2-х ч.: ч.1, 2005 г.-114 с.
11.Ульянина И.Ю. Материаловедение в схемах-конспектах. Учебное пособие в 2-х ч.: ч.2, 2005 г.-140 с.
Сделайте индивидуальный заказ на нашем сервисе. Там эксперты помогают с учебой без посредников Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены.
Цены ниже, чем в агентствах и у конкурентов
Вы работаете с экспертами напрямую. Поэтому стоимость работ приятно вас удивит
Бесплатные доработки и консультации
Исполнитель внесет нужные правки в работу по вашему требованию без доплат. Корректировки в максимально короткие сроки
Если работа вас не устроит – мы вернем 100% суммы заказа
Техподдержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры всегда на связи и оперативно решат любую проблему
Строгий отбор экспертов
Требуются доработки?
Они включены в стоимость работы ![]()
Работы выполняют эксперты в своём деле. Они ценят свою репутацию, поэтому результат выполненной работы гарантирован
Последние размещённые задания
Ежедневно эксперты готовы работать над 1000 заданиями. Контролируйте процесс написания работы в режиме онлайн
Решение задач, Высшая математика
Срок сдачи к 1 мар.
Влияние ценовой эластичности спроса и предложения на устойчивость.
Срок сдачи к 1 мар.
Реферат, национальная экономика
Срок сдачи к 28 февр.
Совершенствование деятельности государственных служащих в сфере социальной защиты населения (на примере. ) гбу тцсо "мещанский"
Курсовая, Принятие и исполнение государственных решений
Срок сдачи к 15 мар.
Контрольная, Web-технологии, информатика, программирование
Срок сдачи к 20 мар.
Решение задач, Высшая математика
Срок сдачи к 27 февр.
Решить два задания
Решение задач, Математический анализ
Срок сдачи к 28 февр.
решить задачи срочно
Решение задач, Административное судопроизводство прокурорский надзор
Срок сдачи к 27 февр.
Курсовая, право социального обеспечения
Срок сдачи к 3 мар.
Решение задач, Химия
Срок сдачи к 2 мар.
решить все задания с пояснением
Решение задач, финансы
Срок сдачи к 5 мар.
Тема: договор аренды и его видв
Курсовая, Гражданское право
Срок сдачи к 28 февр.
Экспертиза и контроль безопасности оборудования и технологических процессов
Срок сдачи к 28 февр.
Для мед университета
Срок сдачи к 18 мар.
Решить 5 задач по электрическим измерениям
Решение задач, Электрические измерения
Срок сдачи к 7 мар.
3 задачи по маркетингу
Решение задач, Маркетинг
Срок сдачи к 1 мар.
Необходимо решить задания по криволинейным интегралам до вечера.
Решение задач, Высшая математика
Срок сдачи к 27 февр.
анализ и оценка эффективности использования внеоборотных активов.
Курсовая, Основы анализа бухгалтерской отчетности
Срок сдачи к 4 мар.
Размещенные на сайт контрольные, курсовые и иные категории работ (далее — Работы) и их содержимое предназначены исключительно для ознакомления, без целей коммерческого использования. Все права в отношении Работ и их содержимого принадлежат их законным правообладателям. Любое их использование возможно лишь с согласия законных правообладателей. Администрация сайта не несет ответственности за возможный вред и/или убытки, возникшие в связи с использованием Работ и их содержимого.
Описан феномен и суть явления эффекта памяти механической формы сплавов металлов, материалы с эффектом памяти формы и сферы их применения.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| metally_s_ef_pamyati.docx | 35.37 КБ |
Предварительный просмотр:
ДЕПАРТАМЕН ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
КОЛЛЕДЖ ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА И СЕРВИСА № 38
ГБОУ СПО КГиС № 38
Алексеев Дмитрий Михайлович
Гирич Светлана Анатольевна
Любой природный материал обладает своими уникальными качествами. Так многим металлам присущи такие качества, как твердость, прочность и долговечность. Также металлы могут обладать еще одним интереснейшим свойством, о котором не все знают, а именно, металлы могут обладать памятью.
Работы по изучению данного свойства велись и ведутся до сих пор во многих странах. Поэтому тема данной работы весьма актуальна. Для нас кажется весьма привычным и естественным, что пружина всегда возвращается в исходное положение, так же как и изогнутая стальная линейка, и это никого не удивляет. Однако если предел упругости материала будет превышен, то непременно наступит пластическая деформация и тогда предмет уже не примет исходную форму сам, если только не продеформировать материал в противоположном направлении. Но это лишь привычные для нас, общепринятые представления.
Глава 1. Феномен и суть явления. Мартенситное превращение.
Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму.
Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. [3]
Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. [2]
Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка). Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения.
Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места.
Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ.
При изучении закалки – одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения. [4]
Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии.
Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига.
Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения.
С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти.
Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта.
В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать- в другую, т.е. обратную.
Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов.
Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрированно свойство памяти формы у металлов.
В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному.
Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава.
Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении. [1]
Глава 2. Материалы с эффектом памяти формы и сферы их применения.
В современном мире существуют сотни сплавов с мартенситным превращением, однако не все из них способны вспоминать свою форму. И известно лишь несколько сплавов, где эффект памяти формы может иметь практическое значение.
Наиболее перспективным и распространенным из всех материалов с памятью формы является нитинол. Именно нитинол часто используют в устройствах и приборах разного назначения. Так происходит еще и потому, что он имеет ряд других полезных свойств помимо памяти формы. Так нитинол обладает высокой коррозионной стойкостью, технологичностью и значительной прочностью. [5]
Таким образом получается довольно прочное соединение, которое способно выдержать давление до 800 атм. Такой тип соединения заменяет собой сварку, предотвращая недостатки сварного шва. Помимо этого, метод можно применять при сборке конструкции, когда сварка труднодоступна из-за переплетения узлов и трубопроводов. Данные втулки нашли свое применение не только а авиационной технике, но и космической, а так же в автомобильной.
Металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение в такой важной области нашей жизни, как медицина. С помощью металлов с таким свойством, как память формы были разработаны перчатки, которые применяются в процессе реабилитации, фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправа для очков, ортопедические импланты, проволока для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств.
Так же свойство эффекта памяти широко применяется в тепловых сигнализациях, а именно в пожарных сигнализациях, противопожарных заслонках, различных сигнальных устройствах для ванн, бойлерных баках тепловой регенерации. Также свойство широко применяется в автомобилестроении, а именно в системах для предотвращения выхлопа газов, которые содержат пары топлива, в устройствах для удаления тепла из радиатора, устройствах для включения противотуманных фар.
Металлы с эффектом памяти применяются и в других различных областях, например, для герметизации корпусов микросхем, изготовления кофеварок, электронных кухонных плит конвекционного типа, чувствительных клапанов кондиционера, при изготовлении электромагнитных кухонных комбайнов, и разнообразных зажимных инструментов. Также сплавы с таким свойством могут быть использованы в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов.
1. Что такое дислокация? Виды дислокации и их влияния на механические свойства металлов. Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением? Что больше – KCU,KCV или KCT одного и того же материала, почему?
Наиболее распространенными и очень важными с точки зрения формирования прочностных свойств металлов являются дефекты, имеющие протяженность только в одном направлении, или линейные дефекты. Их принято называть дислокациями. Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на различных технологических этапах их формирования. Наиболее распространенной и характерной разновидностью дислокации является краевая дислокация (рис. 1).
Рис. 1 Схема краевой дислокации в кристаллической решетке.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа. Условно подразделяют краевые дислокации на положительные и отрицательные . Положительная дислокация соответствует случаю, когда сверху есть лишняя атомная полуплоскость. Соответственно в верхней половине кристалла действуют сжимающие напряжения, в нижней растягивающие. Отрицательная дислокация соответствует случаю, когда верхняя половина кристалла растянута, нижняя сжата. Тут же на рисунке показаны значки, которыми изображают положительную и отрицательную дислокации. Нетрудно видеть, что эти две дислокации различаются лишь поворотом на 180º. По этому не имеет смысла говорить о знаке дислокации, если эта дислокация одна: знак существен, если рядом есть другая дислокация. Силы упругого взаимодействия между дислокациями зависят от знака дислокации: одноименные дислокации отталкиваются, разноименные притягиваются.
Второй разновидностью линейных дефектов кристаллической решетки является винтовая дислокация (рис.2). Она формируется и перемещается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил Р (перемещение дислокации АВ..A`B`, рис. 2 ). На схеме сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии АВ, параллельной силам Р. При этом правый край кристалла сместился вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии этих сил АВ продолжит мещение к задней стенке с кристалла—А`В`.
Рис. 2 Схема винтовой дислокации
Вокруг текущих положений (рис. 2, линия А В) кристаллографические атомные плоскости-поверхности оказываются изогнутыми. Если проследить ход этих плоскостей от левой части кристалла к правой вокруг АВ сверху вниз, то окажется, что все они, т. е. атомные слои плоскости, как бы представляют одну винтовую поверхность, закрученную вокруг АВ по часовой стрелке в данном случае. Сама линия АВ, вокруг которой формируются геометрические и энергетические искажения в кристаллической решетке, и является винтовой дислокацией.
Одним из параметров, характеризующих поведение дислокации во время пластической деформации, является вектор Бюргерса. Он показывает степень искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Упругая энергия вокруг дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса. Чтобы определить вектор Бюргерса, надо вокруг дислокации построить контур Бюргерса (рис. 3). Протяженность сторон контура выбирается произвольно. Например, контур ABCD вокруг краевой дислокации ┴ по вертикали содержит четыре параметра решетки, по горизонтали — над дислокацией тоже четыре параметра, а под ней — три. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.
Рис. 3 Схема определения вектора Бюргерса.
Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины.Плотность дислокаций — это суммарная протяженность линий дислокаций в единице объема кристалла.
Плотность дислокаций — важнейшая техническая характеристика качества кристалла. В кристаллах, выращенных обычными методами кристаллизации из расплава, плотность дислокаций составляет 10 4 - 10 6 см 2 . Путем отжига можно понизить эту плотность до 10 3 - 10 4 см -2 . В результате пластической деформации плотность дислокаций быстро возрастает на несколько порядков. Наилучшие полупроводниковые кристаллы, полученные путем выращивания, имеют плотность дислокаций 10 2 - 10 3 см -2 и даже порядка нескольких единиц на квадратный сантиметр, выращиваются и бездислокационные кристаллы. Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстра плоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.
Характер влияния плотности дислокаций р на прочность металла можно оценить по формуле Келли—Наттинга:
где — предел текучести сплава; — предел текучести отожженного металла; α — коэффициент, зависящий от вида дислокаций; G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса.
Рис. 4. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов.
Твердость — это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора (твердосплавный наконечник) в его поверхность. Испытания на твердость — самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке при растяжении, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением ơв, оно измеряется в МПа. Между временным сопротивлением и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая примерная зависимость: для стали ơв≈ 0,34-0,35 НВ; для медных отожжённых сплавов ơв≈0,55НВ;для алюминиевых сплавов ơв ≈0,35-0,36 НВ.
Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.
Ударная вязкость КС, Дж/ определяется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза Sо по формуле КС= К/Sо.
В зависимости от вида концентратора напряжений различают образцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип V), и инициированной трещиной (тип Т) .
Из вышеизложенного следует: KCU˃KCV˃KCT
Основным критерием ударной вязкости являетсяKCV :
KCV = KC з + KC р ,
где КС 3 - работа зарождения трещины; КС р ≈ КСТ - работа распространения трещины. Чем острее надрез тем меньше КС 3 .
2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид и укажите на ней температуру изотермической закалки стали 60 СГА. Постройте кривую охлаждения и укажите химический состав стали, закалочной среды и зарисуйте полученную структуру.
Характеристика материала 60СГА
Классификация: сталь конструкционная легированная высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора
Химический состав в % материала 60СГА.
| C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu |
| 0.55 - 0.65 | 0.9 - 1.2 | 0.7 - 1 | до 0.25 | до 0.025 | до 0.025 | до 0.3 | до 0.2 |
Температуру закалки определяем по диаграмме состояния железо - цементит.
При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше точки Ас3 . При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит. Для стали 60СГА температура нагрева составит 790 – 820 гр.
Закалку выполняют так же как и ступенчатую, но предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн . При выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн , и выдерживают в ней, затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе ( рис. 2 ).
У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнита и 10—20 % остаточного аустенита ( рис. 3 ), обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.
Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то после изотермической закалки резко снижается пластичность.
В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалках чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150—500 °С [например, 55 % KNO3 + 45 % NaNO2 (или NaNO3 ], а также расплавленные щелочи (20 % NaOH + 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждают только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3—5 %) в расплавы едких щелочей вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400—450 °С в 4—5 раз, а при 300 °С — в 2 раза. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревали в жидких солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.
Рис. 2. Схема охлаждения при Рис. 3.Микроструктура при изотермической изотермической закалке. закалке –бейнит +остаточный аустенит.
3. Приведите классификацию и маркировку сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Назовите области их применения.
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами классифицируются по признаку основного свойства. В соответствии с этим принципом их можно разделить на следующие группы:
- магнитные и электротехнические стали и сплавы;
- сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами;
- сплавы с эффектом памяти формы;
- другие виды сталей и сплавов с особыми физическими свойствами.
Магнитные и электротехнические стали и сплавы.
В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд переходных металлов (Be, Cu, Ag, Pb).
Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, A1, а также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.
Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре (железо, кобальт, никель и гадолиний) обладают высокими ферромагнитными свойствами.
В зависимости от значений основных магнитных характеристик различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы.Магнитотвердые материалы должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, а также одновременно несколькими элементами.
Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)
Обозначают магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).
Высокими магнитными свойствами обладают сплавы системы Fe-Ni-Co. Их называют сплавами типа альнико или ЮНДК. Недостатком сплавов альнико является их высокая твёрдость, хрупкость и плохая обрабатываемость. Поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием.Очень хорошие, но дорогие магниты изготавливают из сплавов с высоким содержанием кобальта B5-50 %). Эти сплавы - пермендюр 50 % Fe, 50 % Co) и перминвар (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками молибдена, ванадия или хрома. Недавно разработаны новые сплавы - гиперко 5-HS (2 % V, 48,5 % Со, остальное - железо) и кровак (Fe-Cr-Co), а также сплавы с применением редкоземельных металлов самария (Sm) и неодима (Nd).
Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)
Состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов типа альнико для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)
Магнитомягкие материалы. Основные требования к магнитомягким материалам: низкие значения коэрцетивной силы, высокая магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании на вихревые токи. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и неметаллических включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклёпом.
В качестве магнитомягкого материала применяют технически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными. Содержание углерода не должно превышать 0,025 %. Для устранения наклёпа и получения крупного зерна листовой металл подвергают высокотемпературному отжигу в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления реле, сердечников, электромагнитов постоянного тока. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. По химическому составу промышленно применяемые магнитномягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:
· низкоуглеродистые (0,05. 0,005%С) с содержанием кремния 0,8. 4,8%;
· сплавы железа с никелем.
Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные кремнием в количестве 0,8 - 4,8 %. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Однако при содержании кремния около 4 % происходит охрупчивание стали, что затрудняет производство тонколистового металла.
Свойства электротехнического текстолита
Стеклотекстолит – слоистые материалы, основы которых составляют ткани, полученные из стеклянных волокон (стеклоткани), а качестве связующего применяется широкая гамма синтетических смол: феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических, урановые и другие, а также различные совмещенные связующие, например, эпокси - полиэфирные.
Из стеклопластиков изготавливают высокопрочные силовые конструкции в авиастроении ( несущие панели крыльев, шпангоуты, лопасти винтов и т.д.), автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, химической промышленности ( коррозионностойкие трубопроводы, емкости, реакционные аппараты, насосы, фильтр – прессы). Свойства стеклопластика определяется типом связующего, химическим составом и структурой стеклянного наполнителя, соотношением между связующим и наполнителем, характером укладки и ориентации наполнителя, условиями отверждения связующего и формования материала.
| Наименование показателя | марка | |||||||
| СТЭФ, СТЭФ-1,СТЭФ-У | 3240 | СТЭБ | СТЭД | СТ-ЭТФ | СТЭФ-П | СТЭФ-ПВ | ||
| высший сорт | первый сорт | |||||||
| 1.Плотность, кг/м 3 | 1600-1900 | 1600-1900 | 1700-1900 | 1750-2050 | 1700-1900 | 1700-1900 | 1600-1900 | |
| 2.Разрушающее напряжение при изгибе перепендикулярно слоям, МПа, не менее | 350 | 280 | 340 | 350 | 400 | 350 | 225 | |
| 3.Ударная вязкость по Шарпи параллельно слоям на образцах с разрезом, кДж/м 2 , не менее | 50 | 30 | 33 | 50 | 50 | 50 | - | - |
| 4.Удельное объемное электрическое сопротивление Ом x м, не менее, | 1 x 10 10 | 1 x 10 10 | 1 x 10 10 | 5 x 10 10 | 5 x 10 10 | 1 x 10 10 | - | - |
| 5.Пробивное напряжение параллельно слоям в условиях М/90°С/дистиллированная вода, кВэфф/мм, не менее | 35 | 28 | 35 | 35 | 35 | 35 | - | - |
| 6.Электрическая прочность перпендикулярно слоям в условиях М/90°C/ трансформаторное масло, кВэфф/мм, не менее, для образцов толщ. 2 мм | 12,1 | 9,7 | 9,7 | 12,1 | 12,1 | 12,1 | - | - |
Стеклотекстолит не токсичен, не взрывоопасен, относится к горючим материалам. Температура воспламенения 300-500°С.
Расшифровка условного обозначения:
СТ -стеклотекстолит
ЭФ - эпоксиднофенолформальдегидное или эпоксидное связующее
У - унифицированный
1. Солнцев Ю.П., Ряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов. – Химиздат, 2004
2. Технология металлов и материаловедение: учебник для вузов и техникумов. Под редакцией Л.П. Усовой. Металлургия, 1987
3. Материаловедения и технология металлов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. Г.П. Фитисов, М.Г. Карпман: Высшая школа 2002
Читайте также: