Материал по технологии "Основные сведения о строение металлов и методах их испытаний"

1. Кристаллическое строение металлов и сплавов.

Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делятся на аморфные и кристаллические. Аморфными называются твердые вещества, атомы которых в пространстве расположены хаотично. К аморфным относятся смола, клей, канифоль, стекло и др. Кристаллическими называются твердые вещества, в которых атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строгом повторяющемся порядке, образуя атомно-кристаллическую решетку. Все металлы – вещества кристаллического строения. Кроме металлов кристаллическое строение имеют соль, сахар, алмаз и другие вещества.                                                                                    

В промышленных металлах наиболее распространенными являются следующими кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 900 и выше 1400 градусов, хром, вольфрам, ванадий и другие металлы.

В кубической гранецентрированной решетки 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре выше 900 градусов, медь, никель алюминий и другие металлы. В гексоганальной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях друг от друга. Расстояния эти очень и вычисляются в ангстремах. Расположение атомов, междуатомные расстояния, насыщенность атомами все это влияет на качество металлов.

Особенность расположения атомов в кристаллах и определяет совокупность свойств металлов, отличающих их от неметаллов: металлический блеск, плавкость, теплопроводимость, электропроводимость, обрабатываемость и анизотропность, т.е. различие свойств в разных плоскостях кристаллической решетки.

2. Сведения о кристаллизации металлов и сплавов.

Кристаллизация металлов. Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, были изучены русским ученым Д. К. Черновым. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движения замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к эти центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы.

Одновременно продолжается образование новых центов. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности.

Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения строятся в координатах температура время.

На кривой показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т.е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Кривая соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зерна мельче. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных – крупнозернистая.

3. Вторичная кристаллизация (аллотропия).

Некоторые металлы: железо, кобальт, олово и др., имеют в твердом состояние две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одного и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой аллотропическим превращением. 

Весь материал - в документе.

Основные сведения о строение металлов и методах их испытаний

1. Кристаллическое строение металлов и сплавов.

Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делятся на аморфные и кристаллические. Аморфными называются твердые вещества, атомы которых в пространстве расположены хаотично. К аморфным относятся смола, клей, канифоль, стекло и др. Кристаллическими называются твердые вещества, в которых атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строгом повторяющемся порядке, образуя атомно-кристаллическую решетку. Все металлы – вещества кристаллического строения. Кроме металлов кристаллическое строение имеют соль, сахар, алмаз и другие вещества.

В промышленных металлах наиболее распространенными являются следующими кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 900 и выше 1400 градусов , хром, вольфрам, ванадий и другие металлы. В кубической гранецентрированной решетки 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре выше 900 градусов, медь, никель алюминий и другие металлы. В гексоганальной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях друг от друга. Расстояния эти очень и вычисляются в ангстремах. Расположение атомов, междуатомные расстояния, насыщенность атомами все это влияет на качество металлов.

Особенность расположения атомов в кристаллах и определяет совокупность свойств металлов, отличающих их от неметаллов: металлический блеск, плавкость, теплопроводимость, электропроводимость, обрабатываемость и анизотропность, т.е. различие свойств в разных плоскостях кристаллической решетки.

2. Сведения о кристаллизации металлов и сплавов.

Кристаллизация металлов. Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, были изучены русским ученым Д. К. Черновым. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движения замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к эти центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центов. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности.

Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения строятся в координатах температура время.

На кривой показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т.е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Кривая соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зерна мельче. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных – крупнозернистая.

3. Вторичная кристаллизация (аллотропия).

Некоторые металлы: железо, кобальт, олово и др., имеют в твердом состояние две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одного и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой аллотропическим превращением. Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначается буквами , , γ,  и. т. д.

Так, при температуре 1539С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется -железо с объемно-центрированной кубической решеткой, между 1390 и 910С устойчиво γ-железо не магнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768С железо из немагнитного -железа становится магнитным -железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки.

4. Методы измерения твердости.

Твердость - это свойство металла сопротивляться при вдавливании в него более твердого тела. Испытания твердости металлов получили более широкое распространение в условиях производства как наиболее простой и быстрой способ определения механического свойства.

Существует три (статических) метода испытания на твердость, называемых по имени их изобретателей: метод Бринелля (ГОСТ 9012-59); метод Роквелла ( ГОСТ 9013-59); метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).

Измерение твердости вдавливания стального шарика по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхности испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием статической нагрузки. Отношение нагрузки P к площади поверхности полученного отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое HB.

Диаметр отпечатка измеряют с помощью специальной лупы с делениями. Чтобы не прибегать к длительным и довольно сложным вычислениям твердости, на практике пользуются специальной таблицей, приложенной к ГОСТу, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости HB.

Измерение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в испытуемый металл с помощью прибора TK стального закаленного шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) для мягких металлов и сплавов или алмазного конуса с углом при вершине 120 для особо твердых сталей и сплавов. На индикаторе прибора TK три шкалы: A, B и C. При испытании алмазным конусом под нагрузкой 1500 H отсчет числа твердости производят по шкале C индикатора и обозначают HRC, по нагрузкой 600 H по шкале А и обозначают HRA, а при испытании стальным шариком по нагрузкой 1000 H по шкале B и обозначают HRB.

Метод измерения твердости металла по Виккерсу HV (ГОСТ 2999-75) принципиально не отличается от метода Бринелля. С помощью прибора ТП вдавливают в металл алмазную четырехгранную пирамиду с углом при вершине a=136, а зачем по длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости. Закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0.3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других слоев деталей.