Breve información teórica. Trabajo de laboratorio en el curso "Ciencia de los materiales"
Se presenta un desarrollo metódico de una lección práctica para la disciplina académica OP 08 "Ciencia de los materiales" en la especialidad de educación vocacional secundaria 22.02.06 "Producción de soldadura".
En el curso de este trabajo, los estudiantes estudian los tipos y características de las redes cristalinas de los metales, la influencia de las redes cristalinas en la estructura y propiedades de los metales y sus aleaciones.
Al final del trabajo, se les pide a los estudiantes que respondan preguntas de control.
Descargar:
Avance:
Pautas para el trabajo práctico sobre el tema "Estudiar los tipos de redes cristalinas y su influencia en la estructura y propiedades de los metales y sus aleaciones" para estudiantes de segundo año en la especialidad de educación vocacional secundaria 22.02.06 "Producción de soldadura" en el académico disciplina OP 08 "Ciencia de los materiales"
Nikiforuk Tatiana Alekseevna.
profesor de disciplinas especiales,
TOGBPOU "Colegio Diversificado",
Morshansk, región de Tambov
Morshansk, 2016
Disposiciones teóricas básicas 3
- Estructura de cristal atómico de metales 3
- Transformaciones en el estado sólido. Polimorfismo 6
- Procedimiento para la realización de trabajos prácticos 8
- Contenido del informe de prácticas 8
Objetivo: Familiarícese con los tipos y características de las redes cristalinas de metales. Estudiar la influencia de las redes cristalinas en la estructura y propiedades de los metales.
Disposiciones teóricas básicas
- ESTRUCTURA ATÓMICO-CRISTALINA DE LOS METALES.
materiales metalicos 83 de los 112 elementos químicos conocidos de la tabla periódica de D. I. son metales. Tienen una serie de propiedades características:
- alta conductividad térmica y eléctrica;
- un coeficiente positivo de resistencia eléctrica (al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia eléctrica);
- emisión termoiónica (emisión de electrones durante el calentamiento);
- buena reflectividad (brillo);
- capacidad de deformación plástica;
Polimorfismo.
La presencia de estas propiedades se debe al estado metálico de la sustancia, la principal de las cuales es la presencia de electrones de conducción colectivizados fácilmente móviles.
El estado metálico surge en un conjunto de átomos, cuando, a medida que se acercan entre sí, los electrones externos (de valencia) pierden su conexión con los átomos individuales, se vuelven comunes y se mueven libremente entre iones cargados positivamente y ubicados periódicamente. Las fuerzas de atracción (fuerzas de acoplamiento) en los sólidos difieren significativamente en su naturaleza. Por lo general, se consideran cuatro tipos principales de enlaces en los sólidos: van der Waals, covalente, metálico e iónico.
La estructura de cristal atómico se entiende como la disposición mutua de los átomos en un cristal. Un cristal consta de átomos (iones) dispuestos en un cierto orden, que se repite periódicamente en tres dimensiones.
El complejo de átomos más pequeño que, cuando se repite en el espacio, le permite reproducir una red cristalina espacial, se llama celda elemental.
Para caracterizar la celda unitaria, se utilizan los parámetros de la red cristalina:
Tres costillas a, b, c , medido en angstroms (1Å = 1 * 10-8 cm) o en kiloix - kX (1kX = 1.00202 Å) y tres ángulosα , β , γ , ;
Estructura compactaη - la relación entre el volumen ocupado por los átomos y el volumen de la celda (para la red bccη = 64%, para la red fccη = 74%);
El número de coordinación K es el número de vecinos más cercanos de un átomo dado: para la red bcc, este número es 8, es decir los átomos ubicados en la parte superior pertenecen a ocho celdas unitarias (Fig. 1.a), para la red fcc este número es 12, es decir los átomos ubicados en la parte superior pertenecen a doce celdas elementales (Fig. 1.b).
Figura 1. Esquema para determinar el número de coordinación de la red cristalina:
a – CHC;
b - CCB;
c - GPU
El tipo más simple de celda de cristal es la red cúbica.. En una red cúbica simple, los átomos no están lo suficientemente apretados.
El deseo de los átomos de metal de ocupar lugares más cercanos entre sí conduce a la formación de redes de otros tipos (Fig. 2.):
Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) (Fig. 2.a) con el parámetro
a \u003d 0,28 - 0,6 mm \u003d 2,8 - 6,0 Å
Red cúbica centrada en las caras (FCC) (Fig. 2.b) con el parámetro
a = 0,25 mm
Red hexagonal densamente empaquetada (HCP) (Fig. 2.c) con el parámetro
c/a ≈ 1.633
Figura 2. Redes cristalinas: a – cubo centrado en las caras (BCC); b – cubo centrado en el cuerpo (fcc); c- hexagonal compacto (hcp)
Los nudos (posiciones de los átomos), las direcciones en el plano y en el espacio se designan utilizando los llamados índices de Miller (Fig. 3).
Los índices de los nodos se escriben - (mnp),
Los índices de dirección se escriben −[mnp] ,
El índice del plano se escribe - (hk1).
Figura 3. Símbolos de algunos de los nodos, direcciones y planos más importantes de una red cúbica.
Debido a la densidad desigual de los átomos en diferentes planos y direcciones de la red, muchas propiedades de un solo cristal (químicas, físicas, mecánicas) en una dirección determinada difieren de las propiedades en otra dirección y, naturalmente, dependen de cuántos átomos se encuentran. en esta dirección.
La diferencia de propiedades dependiendo de la dirección de la prueba se llama anisotropía.
Todos los cristales son anisotrópicos.
La anisotropía es una característica de cualquier cristal, característica de la estructura cristalina.
Los metales técnicos son policristales, es decir, consisten en un conjunto de cristalitos con diferentes orientaciones. En este caso, se promedian las propiedades en todas las direcciones.
- TRANSFORMACIONES EN EL ESTADO SÓLIDO. POLIMORFISMO.
Los átomos de un elemento dado pueden formar, si partimos únicamente de consideraciones geométricas, cualquier red cristalina. Sin embargo, el tipo estable y, por lo tanto, realmente existente es el retículo con la menor reserva de energía libre.
Entonces, diferentes metales forman diferentes tipos de redes cristalinas:
Li, Na, K, Mo, W-bcc;
- Al, Ca, Cu, Au, Pt-fcc;
Mg, Zr, Hf - hcp.
Sin embargo, en algunos casos, cuando cambia la temperatura o la presión, puede resultar que para el mismo metal una red diferente sea más estable que la que existe a una temperatura o presión dada. Así, por ejemplo, hay hierro con redes de cubos centrados en el cuerpo y centrados en las caras, se ha encontrado cobalto con redes hexagonales y centradas en las caras (Fig. 4).
La existencia de un mismo metal (sustancia) en varias formas cristalinas se denomina polimorfismo o alotropía.
Varias formas cristalinas de la misma sustancia se denominan polimorfos o modificaciones alotrópicas (tabla 1).
Las formas alotrópicas se denotan con letras griegasα , β , γ y así sucesivamente, que se agregan como subíndices al símbolo que denota el elemento. La forma alotrópica a la temperatura más baja, denotada por la letraα, siguiente - β, etc.
El fenómeno del polimorfismo se basa en una ley unificada sobre la estabilidad del estado con la menor cantidad de energía. El stock de energía libre depende de la temperatura. Por tanto, en un rango de temperatura, una modificación es más estable, y en otro, otra.
La temperatura a la que se lleva a cabo la transición de una modificación a otra se denomina temperatura de transformación polimórfica (alotrópica).
El mecanismo de crecimiento de los cristales de la nueva fase puede ser cristalización normal y martensítica.
El mecanismo de crecimiento normal es la nucleación de una nueva fase en los límites de granos, bloques, fragmentos a bajos grados de sobreenfriamiento (Snα ↔ Sn β ).
El mecanismo martensítico se realiza a bajas temperaturas y un alto grado de sobreenfriamiento, con una baja movilidad de difusión de los átomos mediante su corrimiento (desplazamiento) a lo largo de ciertos planos y direcciones cristalográficas. La nueva fase es en forma de agujas y crece muy rápidamente (Coα ↔ Co β ).
La transformación alotrópica va acompañada de un cambio en las propiedades, el volumen y la aparición de tensiones internas.
Figura 4. Celdas unitarias de redes cristalinas:
I - centrado en el cuerpo cúbico (α-hierro),
II - cara cúbica centrada (cobre),
III - empaquetado compacto hexagonal;
a y c son los parámetros de la red.
Tabla 1. Modificaciones alotrópicas de metales..
Metal | Grupo | Modificación | celda de cristal |
|||
Calcio | II-A | Ca α hasta 450 Caαβ 450-851 | FCC cúbico |
|||
Galio | III-B | Gaα Gaβ | Rómbico tetragonal |
|||
talio | III-B | Tlα hasta 262 Tlβ 262-304 | Empaquetado compacto hexagonal |
|||
Titanio | IV-A | Tia hasta 882 Tiβ 882-1725 | Empaquetado compacto hexagonal cuerpo cúbico centrado |
|||
Circonio | IV-A | Zrα hasta 862 Zrβ 862-1830 | Empaquetado compacto hexagonal cuerpo cúbico centrado |
|||
Hafnio | IV-A | Hfα hasta 1610 Hfβ 1610-1952 | Hexagonal cuerpo cúbico centrado |
|||
Estaño | IV-B | Sna hasta 18 Snβ 18-232 | Diamante centrado en el cuerpo tetragonal |
|||
Tungsteno | VÍA | Wα hasta 650 Wβ 650-3400 | cuerpo cúbico centrado Complicado (sin descifrar) |
|||
Urano | VÍA | Uα hasta 660 Uß660-770 | ||||
AGENCIA FEDERAL PARA LA EDUCACIÓN Institución educativa estatal de educación profesional superior
"Universidad Estatal de Economía y Servicios del Sur de Rusia" (GOU VPO "YURGUES")
CIENCIA DE LOS MATERIALES
TECNOLOGÍA DE MATERIALES ESTRUCTURALES
taller de laboratorio
para estudiantes de especialidades 190601, 190603, 200503, 260704
formas de educación a tiempo completo y a tiempo parcial
MINAS GOU VPO "YURGUES"
UDC 620.1(076.5) BBK 30.3ya73
Compilado por:
Candidato a Ciencias Técnicas, Profesor Asociado del Departamento de Mecánica Aplicada y Diseño de Máquinas
Yu.E. maldita sea
Doctorado, Arte. Profesor del Departamento de Mecánica Aplicada y Diseño de Máquinas
S. N. Baibara
Revisores:
Ph.D., profesor, jefe. Departamento de "Operación técnica de vehículos"
SUR. Sapronov
Candidato a Ciencias Técnicas, Profesor del Departamento de Tecnología de Productos de Cuero, Normalización y Certificación
M341 Ciencia de los materiales: tecnología de materiales estructurales: taller de laboratorio / compilado por Yu.E. Chertov, S. N. Baybara. - Minas: GOU VPO "YURGUES", 2010. - 71 p.
El uso de un taller de laboratorio permitirá consolidar el material de lectura, para garantizar el estudio independiente de unidades didácticas individuales de la disciplina, la finalización exitosa de pruebas y tareas independientes.
Diseñado para estudiantes de las especialidades 190601, 190603, 200503, 260704 formas de educación de tiempo completo y tiempo parcial.
UDC 620.1(076.5) BBK 30.3ya73
Modo de acceso al análogo electrónico de la edición impresa: http://www.libdb.sssu.ru
© GOU VPO "Sur de Rusia Expresar Universidad de Economía y Servicio", 20 10
PRÓLOGO .................................................. ............................................................... .... | |
Trabajo de laboratorio número 1. Estudio del proceso de cristalización | |
Trabajo de laboratorio número 2. Estudio de macro y microestructura | |
metales y aleaciones ............................................................. ................................................ | |
Trabajo de laboratorio número 3. Explorando diagramas de estado | |
aleaciones dobles .................................................. ................ .................................. .......... | |
Trabajo de laboratorio número 4. Estudio de transformaciones de fase | |
según el diagrama de fase de hierro-cementita ............................................... ..... ...... | |
Trabajo de laboratorio número 5. Métodos para medir la dureza de los metales...... | |
Trabajo de laboratorio número 6. Efecto del tratamiento térmico | |
sobre las propiedades mecánicas del acero estructural ........................................... ......... | |
Trabajo de laboratorio número 7. Formación de espacios en blanco por fundición. | |
en moldes de arena ............................................. . ........................................ | |
Trabajo de laboratorio número 8. Aprendiendo las formas de la electricidad. | |
soldadura de metales ............................................. ................ .................................. ............. | |
Trabajo de laboratorio número 9. Aprendiendo a hacer | |
productos de plástico ................................................ ............... ................................... ............. | |
LISTA BIBLIOGRÁFICA .................................................. .................. .......... |
PREFACIO
El futuro especialista, un graduado de una institución de educación superior, tendrá que trabajar en un entorno de producción que cambia rápidamente. Ya, el ciclo de renovación tecnológica en algunas industrias es más corto que el período de estudio en un instituto o universidad. Por ello, la formación de un nuevo tipo de especialistas que sean capaces de adaptarse rápidamente a las nuevas condiciones laborales de las empresas es una de las principales tareas de la universidad.
El taller de laboratorio, como forma de formación, contribuye al máximo a la activación de la actividad mental de los alumnos y al desarrollo de sus habilidades de aplicación creativa en la práctica de los conocimientos adquiridos.
El trabajo de laboratorio propuesto permitirá a los estudiantes estudiar las disposiciones teóricas del curso "Ciencia de los materiales", adquirir habilidades prácticas para estudiar la estructura y las propiedades de los materiales de ingeniería metálica, evaluar el impacto en la estructura y las propiedades de los metales de varios tipos de tratamiento térmico. .
El desempeño del trabajo de laboratorio en condiciones de una fuerte reducción en el volumen de conferencias a menudo no coincide con el orden de presentación del curso de conferencias. Por lo tanto, cada trabajo contiene información teórica general que facilitará la preparación independiente del estudiante para el trabajo, contribuyendo a su implementación consciente y comprensión de los resultados obtenidos.
El taller de laboratorio se preparó de acuerdo con los requisitos del Estándar Educativo Estatal en la disciplina "Ciencia de los Materiales". TKM” para estudiantes de especialidades de ingeniería de instituciones de educación superior.
Trabajo de laboratorio No. 1 ESTUDIO DEL PROCESO DE CRISTALIZACIÓN DE METALES Y ALEACIONES
El propósito del trabajo: estudiar el proceso de transición de materiales metálicos (metales y aleaciones) de un estado líquido a un estado sólido de agregación, teniendo en cuenta la influencia de factores externos, así como estudiar la estructura de un lingote de acero. .
1. Dé una breve descripción de los metales, las aleaciones y los procesos de su cristalización.
2. Familiarízate con el microscopio biológico.
3. Para monitorear la cristalización de sales de soluciones acuosas sobresaturadas.
4. Dibujar, observando la cristalización de la gota, las zonas más características y dar explicaciones. El tamaño de la imagen es un círculo de 50 mm.
5. Dibuje las secciones longitudinal y transversal del lingote de acero. Dé una explicación de la presencia de tres zonas en el lingote.
6. Preparar un informe escrito sobre el trabajo.
Información general de la teoría.
1. Breve descripción de metales y aleaciones
Los metales y las aleaciones son los materiales estructurales más importantes ampliamente utilizados en ingeniería. Los metales, además de brillo y ductilidad, tienen una alta conductividad térmica y eléctrica.
La obtención de metales químicamente puros está asociada con importantes dificultades, y los valores de sus características mecánicas no son altos. En este sentido, las aleaciones metálicas son ampliamente utilizadas en tecnología.
Las aleaciones son sustancias complejas, que incluyen varios metales o metales y no metales. Las aleaciones metálicas tienen las propiedades de los metales puros mencionadas anteriormente.
Los materiales metálicos en estado sólido de agregación tienen una estructura cristalina, en la que los iones cargados positivamente están dispuestos en un orden estrictamente definido, repitiéndose periódicamente en tres dimensiones del espacio. Dado que las aleaciones suelen obtenerse mediante tecnología metalúrgica, el estado líquido precede al estado sólido. El paso de una sustancia del estado líquido al sólido se denomina
cristalización.
2. Cristalización de metales y aleaciones
La cristalización procede en condiciones en las que el sistema pasa a un estado termodinámicamente más estable con una energía libre más baja. La energía libre F es aquella parte de la energía interna del sistema que se puede convertir en trabajo. Con el aumento de la temperatura, la energía libre de los estados líquido y sólido del metal disminuye (ver Fig. 1.1).
Energía libre F
condición
condición |
||||||
Tcr | ||||||
T pl |
||||||
Temperatura, | ||||||
Figura 1.1 - Cambio en la energía libre de los estados líquido y sólido en función de la temperatura
Cuando se alcanza la temperatura de equilibrio T S, la energía libre de los estados líquido y sólido es igual y, por lo tanto, a esta temperatura ni el proceso de cristalización ni el de fusión pueden continuar hasta el final.
Para el desarrollo del proceso de cristalización, es necesario crear condiciones bajo las cuales la energía libre de la fase sólida sea menor que la energía libre de la fase líquida. Como se puede ver en el gráfico que se muestra en la Figura 1.1, esto es posible solo con un sobreenfriamiento de la aleación.
El grado de hipotermia es la diferencia entre las temperaturas de cristalización de equilibrio (teóricas) y reales
T TS Tcr .
Es necesario cierto grado de sobrecalentamiento de la aleación para el desarrollo del proceso de fusión.
T Tm TS .
El grado de superenfriamiento se mide en grados Celsius y depende de la velocidad de enfriamiento, la naturaleza y la pureza de la masa fundida. Cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento, mayor será el grado de subenfriamiento. Cuanto más pura sea la masa fundida, mayor será su estabilidad y, en consecuencia, mayor será el grado de sobreenfriamiento.
La presencia de partículas no disueltas en la masa fundida acelera el proceso de cristalización y refina el grano. Investigación D.K. Chernov, se reveló que la cristalización comienza con la formación de núcleos cristalinos (centros de cristalización) y continúa con un aumento en su número y tamaño.
El número de centros de cristalización (C.C.) y su tasa de crecimiento (S.R.) dependen del grado de sobreenfriamiento. Con un aumento en el grado de sobreenfriamiento, aumenta el número de centros de cristalización y aumenta la tasa de su crecimiento; a un cierto grado de hipotermia, se produce un máximo.
Sin embargo, los metales y las aleaciones, que tienen una baja tendencia al sobreenfriamiento en estado líquido, no pueden enfriarse a temperaturas en las que el número de centros de cristalización y la velocidad de crecimiento de los cristales alcancen un máximo. Por lo tanto, para metales, las curvas "Ch.Ts." y "S.R." romper ya a bajos grados de sobreenfriamiento (curvas sólidas en la Figura 1.2).
S.R.
T ST
Grado de hipotermia T, C
Figura 1.2 - La influencia del grado de sobreenfriamiento en el número de centros de cristalización y la tasa de crecimiento de los cristales
Para el grado de sobreenfriamiento T, las tasas de formación de centros de cristalización y su crecimiento son pequeñas, por lo tanto, el proceso de cristalización avanza lentamente y los granos son grandes (ya que se forman pocos centros de cristalización por unidad de volumen de la fase líquida).
Para el grado de sobreenfriamiento T, tanto la tasa de nucleación de los centros de cristalización como la tasa de su crecimiento han aumentado significativamente, por lo que el proceso de cristalización procederá mucho más rápido que con el grado de sobreenfriamiento T, y dado que el número de centros de cristalización por unidad aumenta el volumen, los granos son pequeños.
Así, cambiando el grado de sobreenfriamiento, es posible obtener cristalitas (granos) de varios tamaños. Muchas propiedades de la aleación dependen del tamaño del grano. En la práctica, el refinamiento de grano en las aleaciones también se logra mediante modificación, es decir, la introducción de partículas dispersas de sustancias modificadoras en la masa fundida, que se convierten en centros adicionales de cristalización.
El proceso de cristalización de metales y aleaciones es similar al proceso de cristalización de sales a partir de soluciones acuosas. En este caso, la formación de cristales se vuelve posible observar con un microscopio biológico a temperatura ambiente a medida que el agua se evapora, lo cual es conveniente y seguro.
3. Estructura de un lingote de metal
Los cristales en el proceso de solidificación del metal pueden tener una forma diferente según la velocidad de enfriamiento, la naturaleza y la cantidad de impurezas. Muy a menudo, en el proceso de cristalización, se forman cristales ramificados o en forma de árbol, llamados dendritas. Inicialmente, se forman ramas largas, los llamados ejes de primer orden (los ejes principales de la dendrita). Simultáneamente al alargamiento de los ejes de primer orden, surgen y crecen en sus bordes las mismas ramas de segundo orden perpendiculares a ellos. A su vez, los ejes de tercer orden nacen sobre los ejes de segundo orden, y así sucesivamente.
– zona de pequeños granos; |
||
– zona de cristales columnares; |
||
– zona de cristales equiaxiales; |
||
- caparazón retráctil; |
||
- burbujas de gas, huecos, |
||
friabilidad de contracción |
||
Figura 1.3 - Esquema de la estructura de un lingote de acero de acero tranquilo
La cristalización del metal líquido comienza en la superficie de un molde más frío y ocurre primero en una capa delgada de líquido fuertemente sobreenfriado adyacente a la superficie. Esto conduce a la formación de una zona muy estrecha de pequeños granos no orientados en la superficie del lingote.
Detrás de la zona 1, en lo profundo del lingote, hay una segunda zona: la zona de los cristales columnares. El crecimiento de estos cristales procede en la dirección de la eliminación de calor, y dado que todos los cristales crecen simultáneamente, se obtienen cristales columnares (alargados), cuyo crecimiento continúa mientras haya una eliminación de calor dirigida. En el caso de un sobrecalentamiento fuerte y un enfriamiento rápido, la zona de cristalitos columnares puede llenar todo el volumen del lingote.
Este tipo de cristalización se llama transcristalización. En la parte interior del lingote se forma la zona 3, formada por cristales dendríticos equiaxiales de diferente orientación, de mayor tamaño debido a la baja velocidad de enfriamiento (debido a la disminución de T). Dado que el metal líquido tiene un volumen específico mayor que el sólido, en la parte del lingote que se solidifica en último lugar, se forma un vacío, una cavidad de contracción. Por lo general, está rodeado por el metal más contaminado que contiene micro y macroporos, burbujas de gas y otros defectos. La cristalización de las zonas del lingote, así como los ejes de las dendritas, no ocurre simultáneamente, por lo tanto, el metal del lingote tiene una heterogeneidad en la composición química: segregación zonal y dendrítica.
4. Equipos y muestras
Los microscopios biológicos se utilizan para observar el proceso de cristalización de la sal. El soporte del microscopio es una base estable a la que se unen las demás partes del microscopio: tubo, soporte del condensador, torreta con objetivos, ocular. Como regla general, el microscopio está equipado con varias lentes de diferentes aumentos, colocadas en una boquilla giratoria, que le permite colocar las lentes en la posición de trabajo moviéndolas. El examen de la muestra generalmente comienza con el objetivo de aumento más bajo con el campo de visión más grande. Los detalles de interés se examinan utilizando lentes de gran aumento.
El diagrama esquemático de un microscopio biológico se muestra en la Figura 1.4.
- espejo;
- tabla de temas;
- portaobjetos de vidrio;
- una gota de solución salina;
- lente;
- tubo de microscopio;
- ocular;
- el ojo del observador.
Figura 1.4 - Diagrama esquemático de un microscopio biológico
El ajuste del microscopio se lleva a cabo de la siguiente manera. Al girar el vidrio 2 hacia la fuente de luz, se logra la iluminación más brillante en el ocular 8. Luego se coloca un portaobjetos de vidrio 4 con una gota 5 de la solución salina sobre la mesa 3 para que se pueda observar el borde de la gota. La distancia focal se establece bajando/subiendo la mesa de objetos 3 con respecto al tubo 7, logrando una imagen clara del borde de la gota en el ocular 8.
5. Orden de trabajo
Habiendo estudiado la parte teórica y familiarizándose con la tarea de trabajo, los estudiantes comienzan a observar el proceso de cristalización. Para ello, se entrega un microscopio biológico y un portaobjetos de vidrio con una gota de una solución acuosa sobresaturada de cloruro de sodio. Después de ajustar el microscopio, coloque el vidrio en la platina del microscopio y observe el comienzo del proceso de cristalización en el borde de la gota. A medida que el agua se evapora, también crecerán cristales en las siguientes zonas de caída. El proceso en estudio se puede dividir condicionalmente en tres períodos. El primero es la cristalización de la sal en el borde de la gota, donde la cantidad de agua es menor. Durante este período, se forman pequeños cristales de forma regular en el borde de la gota, ya que el sobreenfriamiento provoca la formación de una gran cantidad de centros de cristalización. Durante el segundo período, se forman grandes cristales columnares. La dirección de sus ejes es normal a los bordes de la gota. Durante este período, hay una alta tasa de crecimiento de cristales y un número limitado de centros de cristalización. Durante el tercer período, se forman cristales en forma de árbol (dendríticos). En este caso, la cantidad de agua en la gota es insignificante y su evaporación desde la parte media se produce rápidamente.
Institución Educativa Presupuestaria del Estado Federal de Educación Superior
"Universidad Estatal de Transporte Acuático del Volga"
RAMA PERMANENTE
EA . Sazonova
CIENCIA DE LOS MATERIALES
COLECCIÓN DE TRABAJOS PRÁCTICOS Y DE LABORATORIO
26.02.06 "Operación de equipos eléctricos y automatización de buques"
23.02.01 "Organización del transporte y gestión del transporte" (por tipo)
PÉRMICO
2016
Introducción
Las pautas para la implementación del trabajo de laboratorio y práctico en la disciplina académica "Ciencia de los materiales" están destinadas a estudiantes de educación vocacional secundaria en la especialidad 26.02.06 "Operación de equipos eléctricos y automatización de barcos"
Este manual brinda orientación sobre la implementación de trabajos prácticos y de laboratorio sobre los temas de la disciplina, indica los temas y contenido del trabajo de laboratorio y práctico, formas de control sobre cada tema y literatura recomendada.
Como resultado del dominio de esta disciplina académica, el estudiante debe ser capaz de:
˗ realizar pruebas mecánicas de muestras de materiales;
˗ utilizar métodos físicos y químicos de investigación de metales;
˗ utilizar tablas de referencia para determinar las propiedades de los materiales;
˗ elegir los materiales para la realización de las actividades profesionales.
Como resultado del dominio de esta disciplina académica, el estudiante debe saber:
˗ propiedades básicas y clasificación de los materiales utilizados en actividades profesionales;
˗ nombre, marcado, propiedades del material procesado;
˗ reglas para el uso de lubricantes y refrigerantes;
˗ información básica sobre metales y aleaciones;
˗ información básica sobre no metálicos, juntas,
Materiales de estanqueidad y eléctricos, acero, su clasificación.
El trabajo de laboratorio y práctico permitirá formar habilidades de trabajo práctico, competencias profesionales. Se incluyen en la estructura de estudio de la disciplina académica "Ciencia de los Materiales", luego de estudiar el tema: 1.1. "Información básica sobre metales y aleaciones", 1.2 "Aleaciones de hierro-carbono", 1.3 "Metales no ferrosos y aleaciones".
El trabajo de laboratorio y práctico es un elemento de la disciplina académica y se evalúa de acuerdo con los criterios que se presentan a continuación:
Se otorga una calificación de "5" a un estudiante si:
˗ el tema del trabajo corresponde al dado, el estudiante demuestra conocimientos y habilidades sistémicos y completos sobre este tema;
˗ el trabajo está diseñado de acuerdo con las recomendaciones del maestro;
˗ la cantidad de trabajo corresponde a lo dado;
˗ el trabajo se realizó exactamente en el tiempo especificado por el profesor.
Se otorga una calificación de "4" a un estudiante si:
˗ el tema del trabajo corresponde al dado, el estudiante comete pequeñas imprecisiones o algunos errores en este asunto;
˗ la obra está enmarcada con imprecisiones en el diseño;
˗ la cantidad de trabajo corresponde a lo especificado o un poco menos;
˗ el trabajo se entregó dentro del tiempo especificado por el maestro, o más tarde, pero no más de 1-2 días.
Se otorga una calificación de "3" a un estudiante si:
˗ el tema del trabajo corresponde al dado, pero el trabajo carece de elementos significativos en cuanto al contenido del trabajo o el tema se presenta de manera ilógica, el contenido principal del número no se presenta claramente;
˗ la obra está enmarcada con errores en el diseño;
˗ la cantidad de trabajo es significativamente menor que la especificada;
˗ el trabajo se entregó con un retraso de 5-6 días.
Se otorga una calificación de "2" a un estudiante si:
˗ no se revela el tema principal de la obra;
˗ el trabajo no está diseñado de acuerdo con los requisitos del maestro;
˗ la cantidad de trabajo no corresponde a la dada;
˗ el trabajo fue presentado con retraso en términos de más de 7 días.
El trabajo de laboratorio y práctico en su contenido tiene una cierta estructura, proponemos considerarlo: el progreso del trabajo se da al comienzo de cada trabajo práctico y de laboratorio; al realizar trabajos prácticos, los estudiantes completan la tarea indicada al final del trabajo (elemento "Tarea para estudiantes"); al realizar trabajos de laboratorio, se elabora un informe sobre su implementación, el contenido del informe se indica al final del trabajo de laboratorio (párrafo "Contenido del informe").
Al realizar trabajos prácticos y de laboratorio, los estudiantes siguen ciertas reglas, considérelas a continuación: el trabajo práctico y de laboratorio se realiza durante las sesiones de capacitación; se permite el registro final de laboratorio y trabajo práctico en el hogar; está permitido usar literatura adicional al realizar trabajos prácticos y de laboratorio; antes de realizar trabajos de laboratorio y prácticos, es necesario estudiar las principales disposiciones teóricas sobre el tema en consideración.
Trabajo práctico nº 1
"Propiedades físicas de los metales y métodos para su estudio"
Objetivo : estudiar las propiedades físicas de los metales, métodos para su determinación.
Progreso:
parte teórica
Las propiedades físicas incluyen: densidad, punto de fusión (punto de fusión), conductividad térmica, expansión térmica.
Densidad - la cantidad de sustancia contenida en una unidad de volumen. Esta es una de las características más importantes de los metales y aleaciones. Por densidad, los metales se dividen en los siguientes grupos:pulmones (densidad no superior a 5 g/cm 3 ) - magnesio, aluminio, titanio, etc.;pesado - (densidad de 5 a 10 g/cm 3 ) - hierro, níquel, cobre, zinc, estaño, etc. (este es el grupo más extenso);muy pesado (densidad superior a 10 g/cm 3 ) - molibdeno, tungsteno, oro, plomo, etc. La Tabla 1 muestra los valores de densidad de los metales.
tabla 1
Densidad de los metales
El punto de fusión es la temperatura a la cual un metal cambia de un estado cristalino (sólido) a un estado líquido con la absorción de calor.
Los puntos de fusión de los metales oscilan entre -39 °C (mercurio) y 3410 °C (tungsteno). El punto de fusión de la mayoría de los metales (con la excepción de los álcalis) es alto, pero algunos metales "normales", como el estaño y el plomo, pueden fundirse en una estufa eléctrica o de gas convencional.
Dependiendo de la temperatura de fusión, el metal se divide en los siguientes grupos:fusible (el punto de fusión no supera los 600 o C) - zinc, estaño, plomo, bismuto, etc.;fusión media (desde 600 o Desde hasta 1600 o C) - incluyen casi la mitad de los metales, incluidos magnesio, aluminio, hierro, níquel, cobre, oro;refractario (más de 1600 o C) - tungsteno, molibdeno, titanio, cromo, etc. Cuando se introducen aditivos en el metal, el punto de fusión, por regla general, disminuye.
Tabla 2
Puntos de fusión y ebullición de los metales.
La conductividad térmica es la capacidad de un metal para conducir el calor a una velocidad determinada cuando se calienta.
Conductividad eléctrica: la capacidad de un metal para conducir una corriente eléctrica.
Expansión térmica: la capacidad de un metal para aumentar su volumen cuando se calienta.
La superficie lisa de los metales refleja un gran porcentaje de luz; este fenómeno se denomina brillo metálico. Sin embargo, en estado de polvo, la mayoría de los metales pierden su brillo; el aluminio y el magnesio, sin embargo, conservan su brillo en polvo. El aluminio, la plata y el paladio reflejan mejor la luz: los espejos están hechos de estos metales. A veces, el rodio también se usa para hacer espejos, a pesar de su precio excepcionalmente alto: debido a su dureza y resistencia química mucho mayores que la plata o incluso el paladio, la capa de rodio puede ser mucho más delgada que la plata.
Métodos de investigación en ciencia de materiales.
Los principales métodos de investigación en ciencia de los metales y ciencia de los materiales son: fractura, macroestructura, microestructura, microscopía electrónica, métodos de investigación de rayos X. Considere sus características con más detalle.
1. La fractura es la forma más fácil y económica de evaluar la estructura interna de los metales. El método de evaluación de fracturas, a pesar de su aparente rudeza en la evaluación de la calidad de un material, se usa bastante en diversas industrias e investigaciones científicas. La evaluación de fracturas en muchos casos puede caracterizar la calidad del material.
La fractura puede ser cristalina o amorfa. La fractura amorfa es típica de los materiales que no tienen una estructura cristalina, como el vidrio, la colofonia y las escorias vítreas.
Las aleaciones metálicas, incluidos el acero, el hierro fundido, el aluminio, las aleaciones de magnesio, el zinc y sus aleaciones, dan una fractura cristalina granular.
Cada cara de una fractura cristalina es un plano de cizallamiento de un grano individual. Por lo tanto, la ruptura nos muestra el tamaño del grano del metal. Estudiando la fractura del acero, se puede ver que el tamaño de grano puede variar en un rango muy amplio: desde unos pocos centímetros en acero fundido y enfriado lentamente hasta milésimas de milímetro en acero correctamente forjado y templado. Dependiendo del tamaño de grano, la fractura puede ser de grano grueso o de grano fino. Por lo general, una fractura de grano fino corresponde a una aleación de metal de mayor calidad.
Si la destrucción de la muestra en estudio ocurre con la deformación plástica previa, los granos en el plano de fractura se deforman, y la fractura ya no refleja la estructura cristalina interna del metal; en este caso, la fractura se llama fibrosa. A menudo, en una muestra, dependiendo del nivel de su plasticidad, puede haber áreas fibrosas y cristalinas en la fractura. A menudo, la calidad del metal se evalúa por la relación del área de fractura ocupada por las áreas cristalinas en condiciones de prueba dadas.
Una fractura cristalina frágil puede resultar de una fractura a lo largo de los límites de los granos oa lo largo de los planos de deslizamiento que cruzan los granos. En el primer caso, la fractura se denomina intergranular, en el segundo, transcristalina. A veces, especialmente con granos muy finos, es difícil determinar la naturaleza de la fractura. En este caso, la fractura se estudia con una lupa o un microscopio binocular.
Recientemente, la rama de la ciencia del metal se ha desarrollado para el estudio fractográfico de fracturas en microscopios metalográficos y electrónicos. Al mismo tiempo, encuentran nuevas ventajas del antiguo método de investigación en ciencia de los metales: estudios de fracturas, aplicando los conceptos de dimensiones fractales a dichos estudios.
2. Macroestructura - es el siguiente método para el estudio de los metales. La investigación macroestructural consiste en estudiar el plano de sección de un producto o muestra en sentido longitudinal, transversal o en cualquier otra dirección después del grabado, sin el uso de instrumentos de aumento o con lupa. La ventaja de la investigación macroestructural es el hecho de que con la ayuda de este método es posible estudiar la estructura de un lingote o fundición completo, forja, estampado, etc. directamente. Con este método de investigación, se pueden detectar defectos internos del metal: burbujas, huecos, grietas, inclusiones de escoria, investigar la estructura cristalina de la fundición, estudiar la falta de homogeneidad de la cristalización del lingote y su falta de homogeneidad química (segregación).
Con la ayuda de impresiones de azufre de macrosecciones en papel fotográfico según Bauman, se determina la distribución desigual de azufre sobre la sección transversal de los lingotes. Este método de investigación es de gran importancia en el estudio de piezas forjadas o estampadas para determinar la dirección correcta de las fibras en el metal.
3. Microestructura: uno de los métodos principales en la ciencia de los metales es el estudio de la microestructura del metal en microscopios metalográficos y electrónicos.
Este método permite estudiar la microestructura de objetos metálicos con grandes aumentos: de 50 a 2000 veces en un microscopio óptico metalográfico y de 2 a 200 mil veces en un microscopio electrónico. El estudio de la microestructura se realiza sobre secciones pulidas. En secciones sin grabar, se estudia la presencia de inclusiones no metálicas, tales como óxidos, sulfuros, pequeñas inclusiones de escoria y otras inclusiones que difieren marcadamente de la naturaleza del metal base.
La microestructura de metales y aleaciones se estudia en secciones grabadas. El grabado generalmente se realiza con ácidos débiles, álcalis u otras soluciones, según la naturaleza del metal cortado. El efecto del grabado es que disuelve varios componentes estructurales de diferentes maneras, coloreándolos en diferentes tonos o colores. Los límites de grano que difieren de la solución base generalmente tienen una capacidad de grabado que difiere de la solución base y se distinguen en una sección delgada en forma de líneas oscuras o claras.
Los poliedros de granos visibles al microscopio son secciones de los granos por la superficie de la sección delgada. Dado que esta sección transversal es aleatoria y puede pasar a diferentes distancias del centro de cada grano individual, la diferencia en los tamaños de los poliedros no corresponde a las diferencias reales en los tamaños de los granos. El valor más cercano al tamaño de grano real son los granos más grandes.
Al grabar una muestra que consta de granos cristalinos homogéneos, por ejemplo, un metal puro, una solución sólida homogénea, etc., las superficies grabadas de diferentes granos a menudo se observan de manera diferente.
Este fenómeno se explica por el hecho de que en la superficie de la microsección emergen granos con diferentes orientaciones cristalográficas, por lo que el grado de acción del ácido sobre estos granos es diferente. Algunos granos se ven brillantes, otros están muy grabados y se oscurecen. Este oscurecimiento está asociado con la formación de varios patrones de grabado que reflejan los rayos de luz de diferentes maneras. En el caso de las aleaciones, los componentes estructurales individuales forman un microrrelieve en la superficie de la sección, que tiene áreas con diferentes pendientes de superficies individuales.
Las áreas ubicadas normalmente reflejan la mayor cantidad de luz y son las más brillantes. Otras áreas son más oscuras. A menudo, el contraste en la imagen de una estructura granular no está asociado con la estructura de la superficie de los granos, sino con el relieve en los límites de los granos. Además, los diferentes tonos de los constituyentes estructurales pueden ser el resultado de la formación de películas formadas por la interacción del grabador con los constituyentes estructurales.
Con la ayuda de la investigación metalográfica, es posible llevar a cabo una identificación cualitativa de los constituyentes estructurales de las aleaciones y un estudio cuantitativo de las microestructuras de metales y aleaciones, en primer lugar, por comparación con los microcomponentes estudiados conocidos de las estructuras y, en segundo lugar, por métodos especiales de metalografía cuantitativa.
Se determina el tamaño de grano. El método de evaluación visual, que consiste en el hecho de que la microestructura considerada se estima aproximadamente por los puntos de las escalas estándar según GOST 5639-68, GOST 5640-68. De acuerdo con las tablas correspondientes, para cada punto, se determina el área de un grano y el número de granos por 1 mm. 2 y en 1mm 3 .
El método de contar el número de granos por unidad de superficie de la sección según las fórmulas apropiadas. Si S es el área en la que se cuenta el número de granos n y M es el aumento del microscopio, entonces el tamaño de grano promedio en la sección transversal de la superficie de microsección
Determinación de la composición de fases. La composición de fase de la aleación a menudo se evalúa a simple vista o comparando la estructura con escalas estándar.
Un método aproximado para la determinación cuantitativa de la composición de las fases se puede realizar mediante el método de la secante con el cálculo de la longitud de los segmentos ocupados por diferentes componentes estructurales. La proporción de estos segmentos corresponde al contenido volumétrico de los componentes individuales.
Método de puntos A.A. Glagolev. Este método se lleva a cabo estimando el número de puntos (puntos de intersección de la rejilla del ocular del microscopio) que caen sobre la superficie de cada componente estructural. Además, el método de metalografía cuantitativa produce: determinación del tamaño de la interfase entre fases y granos; determinación del número de partículas en el volumen; determinación de la orientación del grano en muestras policristalinas.
4. Microscopía electrónica. El microscopio electrónico ha encontrado recientemente una gran importancia en la investigación metalográfica. Sin duda, tiene un gran futuro. Si la resolución de un microscopio óptico alcanza 0,00015 mm = 1500 A, entonces la resolución de los microscopios electrónicos alcanza 5-10 A, es decir varios cientos de veces más que el óptico.
Un microscopio electrónico se usa para estudiar películas delgadas (réplicas) tomadas de la superficie de una sección delgada o un estudio directo de películas metálicas delgadas obtenidas al diluir una muestra masiva.
La mayor necesidad del uso de la microscopía electrónica es el estudio de procesos asociados con la liberación de fases en exceso, por ejemplo, la descomposición de soluciones sólidas sobresaturadas durante el envejecimiento térmico o por deformación.
5. Métodos de investigación por rayos X. Uno de los métodos más importantes para establecer la estructura cristalográfica de varios metales y aleaciones es el análisis de difracción de rayos X. Este método de investigación permite determinar la naturaleza de la disposición mutua de los átomos en los cuerpos cristalinos, es decir resolver un problema que no es accesible ni con un microscopio convencional ni con uno electrónico.
El análisis de difracción de rayos X se basa en la interacción entre los rayos X y los átomos del cuerpo bajo investigación, por lo que estos últimos se convierten, por así decirlo, en nuevas fuentes de rayos X, siendo los centros de su dispersión.
La dispersión de los rayos por los átomos se puede comparar con la reflexión de estos rayos desde los planos atómicos de un cristal de acuerdo con las leyes de la óptica geométrica.
Los rayos X se reflejan no solo desde los planos que se encuentran en la superficie, sino también desde los profundos. Reflejado desde varios planos igualmente orientados, el haz reflejado se amplifica. Cada plano de la red cristalina da su propio haz de ondas reflejadas. Habiendo recibido una cierta alternancia de haces de rayos X reflejados en ciertos ángulos, se calculan la distancia interplanar, los índices cristalográficos de los planos reflectantes y, en última instancia, la forma y el tamaño de la red cristalina.
parte práctica
Reportar contenido.
1. En el informe, debe indicar el nombre, propósito del trabajo.
2. Enumerar las principales propiedades físicas de los metales (con definiciones).
3. Anota las tablas 1 y 2 en tu cuaderno. Sacar conclusiones de las tablas.
4. Complete la tabla: "Métodos básicos de investigación en ciencia de materiales".
radiografíaMétodos de búsqueda
Trabajo práctico nº 2
Tema: "Estudiando diagramas de estado"
Objetivo: familiarización de los estudiantes con los principales tipos de diagramas de estado, sus líneas principales, puntos, su significado.
Progreso:
1. Estudiar la parte teórica.
parte teórica
El diagrama de estado es una representación gráfica del estado de cualquier aleación del sistema en estudio en función de la concentración y la temperatura (ver Fig. 1)
Fig.1 Diagrama de estado
Los diagramas de estado muestran estados estacionarios, es decir establece que, en determinadas condiciones, tienen un mínimo de energía libre, por lo que también se denomina diagrama de equilibrio, ya que muestra qué fases de equilibrio existen en determinadas condiciones.
La construcción de diagramas de estado se lleva a cabo con mayor frecuencia mediante análisis térmico. El resultado es una serie de curvas de enfriamiento en las que se observan puntos de inflexión y paradas de temperatura a temperaturas de transformación de fase.
Las temperaturas correspondientes a las transformaciones de fase se denominan puntos críticos. Algunos puntos críticos tienen nombres, por ejemplo, los puntos correspondientes al comienzo de la cristalización se denominan puntos liquidus y los puntos correspondientes al final de la cristalización se denominan puntos solidus.
De acuerdo con las curvas de enfriamiento, se construye un diagrama de la composición en coordenadas: a lo largo del eje de abscisas, la concentración de los componentes, a lo largo del eje de ordenadas, la temperatura. La escala de concentración muestra el contenido del componente B. Las líneas principales son las líneas liquidus (1) y solidus (2), así como las líneas correspondientes a las transformaciones de fase en estado sólido (3, 4).
A partir del diagrama de estado, se pueden determinar las temperaturas de transformación de fase, el cambio en la composición de fase, aproximadamente, las propiedades de la aleación, los tipos de procesamiento que se pueden aplicar a la aleación.
A continuación se muestran los diferentes tipos de diagramas de estado:
Figura 2. Diagrama de estado de aleaciones con solubilidad ilimitada
componentes en estado sólido (a); curvas típicas de enfriamiento
aleaciones (b)
Análisis del diagrama resultante (Fig. 2).
1. Número de componentes: K = 2 (componentes A y B).
2. Número de fases: f = 2 (fase líquida L, cristales de solución sólida)
3. Líneas principales del gráfico:
acb es la línea liquidus, por encima de esta línea las aleaciones están en estado líquido;
adb es la línea solidus, debajo de esta línea las aleaciones están en estado sólido.
Fig. 3. Diagrama de estado de aleaciones con ausencia de solubilidad de componentes en estado sólido (a) y curvas de enfriamiento de aleaciones (b)
Análisis del diagrama de estados (Fig. 3).
1. Número de componentes: k = 2(componentes A y B);
2. Número de fases: f = 3(cristales del componente A, cristales del componente B, fase líquida).
3. Líneas principales del gráfico:
la línea solidus ecf, paralela al eje de concentración, tiende a los ejes de los componentes, pero no los alcanza;
Arroz. Fig. 4. Diagrama de estado de aleaciones con solubilidad limitada de componentes en estado sólido (a) y curvas de enfriamiento de aleaciones típicas (b)
Análisis del diagrama de estado (Fig. 4).
1. Número de componentes: K = 2 (componentes A y B);
2. Número de fases: f = 3 (fase líquida y cristales de soluciones sólidas (solución del componente B en el componente A) y (solución del componente A en el componente B));
3. Líneas principales del gráfico:
la línea liquidus acb, consta de dos ramas que convergen en un punto;
line solidus adcfb, consta de tres tramos;
dm es la línea de la concentración límite del componente B en el componente A;
fn - línea de la concentración máxima del componente A en el componente B.
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
1. Anota el título de la obra y su propósito.
2. Escribe qué es un diagrama de estado.
Responde a las preguntas:
1. ¿Cómo se construye un diagrama de estado?
2. ¿Qué se puede determinar a partir del diagrama de estado?
3. ¿Cuáles son los nombres de los puntos principales del diagrama?
4. ¿Qué se indica en el diagrama a lo largo del eje x? ejes de ordenadas?
5. ¿Cómo se llaman las líneas principales del diagrama?
Asignación por opciones:
Los estudiantes responden las mismas preguntas, diferentes son las imágenes que necesitan ser respondidas. La opción 1 da respuestas según la figura 2, la opción 2 da respuestas según la figura 3, la opción 3 da respuestas según la figura 4. La figura debe fijarse en un cuaderno.
1. ¿Cuál es el nombre del gráfico?
2. Nombre cuántos componentes están involucrados en la formación de una aleación.
3. ¿Qué letras indican las líneas principales del diagrama?
Trabajo práctico nº 3
Tema: "El estudio de las fundiciones"
Objetivo: familiarización de los estudiantes con el marcado y alcance del hierro fundido; formación de la capacidad de descifrar grados de hierro fundido.
Progreso:
parte teórica
El hierro fundido difiere del acero: en composición: un mayor contenido de carbono e impurezas; en términos de propiedades tecnológicas: propiedades de fundición más altas, baja capacidad de deformación plástica, casi nunca se usa en estructuras soldadas.
Dependiendo del estado del carbono en el hierro fundido, hay: hierro fundido blanco - carbono en estado ligado en forma de cementita, en una fractura tiene un color blanco y un brillo metálico; hierro fundido gris: todo o la mayor parte del carbono está en estado libre en forma de grafito, y no más del 0,8% del carbono está en estado ligado. Debido a la gran cantidad de grafito, su fractura es de color gris; la mitad del carbono está en estado libre en forma de grafito, pero al menos el 2% del carbono está en forma de cementita. Poco utilizado en tecnología.
Según la forma del grafito y las condiciones de su formación, se distinguen los siguientes grupos de hierros fundidos: gris - con grafito laminar; de alta resistencia - con grafito nodular; maleable - con grafito escamoso.
Las inclusiones de grafito se pueden considerar como una forma correspondiente de vacíos en la estructura de hierro fundido. Las tensiones se concentran cerca de tales defectos durante la carga, cuyo valor es mayor cuanto más agudo es el defecto. De esto se deduce que las inclusiones de grafito laminar debilitan el metal al máximo. La forma escamosa es más favorable y la forma esférica de grafito es óptima. La plasticidad depende de la forma de la misma manera. La presencia de grafito reduce considerablemente la resistencia bajo métodos de carga dura: impacto; brecha. La resistencia a la compresión se reduce un poco.
Fundiciones grises
El hierro fundido gris se usa ampliamente en la ingeniería mecánica, ya que es fácil de procesar y tiene buenas propiedades. Según la resistencia, el hierro fundido gris se divide en 10 grados (GOST 1412).
Las fundiciones grises con baja resistencia a la tracción tienen una resistencia a la compresión bastante alta. La estructura de la base metálica depende de la cantidad de carbono y silicio.
Dada la baja resistencia de las fundiciones de hierro gris a las cargas de tracción e impacto, este material debe ser utilizado para piezas que estén sometidas a cargas de compresión o flexión. En la industria de la máquina-herramienta, estas son piezas básicas, carrocerías, soportes, engranajes, guías; en la industria automotriz: bloques de cilindros, anillos de pistón, árboles de levas, discos de embrague. Las fundiciones de hierro gris también se utilizan en ingeniería eléctrica, para la fabricación de bienes de consumo.
Marcado de fundiciones grises: indicado por el índice SC (fundición gris) y un número que muestra el valor de la resistencia a la tracción multiplicado por 10 -1 .
Por ejemplo: SCH 10 - fundición gris, resistencia a la tracción 100 MPa.
hierro maleable
Se aseguran buenas propiedades de fundición si no se produce grafitización durante la cristalización y el enfriamiento de las piezas fundidas en el molde. Para evitar la grafitización, las fundiciones deben tener un contenido reducido de carbono y silicio.
Hay 7 grados de hierro dúctil: tres con base ferrítica (KCh 30 - 6) y cuatro con base perlita (KCh 65 - 3) (GOST 1215).
En términos de propiedades mecánicas y tecnológicas, la fundición maleable ocupa una posición intermedia entre la fundición gris y el acero. La desventaja del hierro dúctil en comparación con el hierro dúctil es la limitación del espesor de pared para la fundición y la necesidad de recocido.
Las fundiciones de hierro dúctil se utilizan para piezas que funcionan bajo cargas de choque y vibración.
Las fundiciones ferríticas se utilizan para fabricar cajas de engranajes, cubos, ganchos, soportes, abrazaderas, acoplamientos y bridas.
Las fundiciones perlíticas, caracterizadas por alta resistencia y suficiente ductilidad, se utilizan para fabricar horquillas de ejes cardánicos, eslabones y rodillos de cadenas transportadoras y zapatas de freno.
Marcado de hierro maleable: indicado por el índice CCH (hierro dúctil) y números. El primer número corresponde a la resistencia a la tracción multiplicada por 10 -1 , el segundo número es el alargamiento relativo.
Por ejemplo: KCh 30-6 - fundición maleable, resistencia a la tracción 300 MPa, alargamiento relativo 6%.
Hierro dúctil
Estas fundiciones se obtienen a partir de las grises, como resultado de la modificación con magnesio o cerio. En comparación con las fundiciones grises, se mejoran las propiedades mecánicas, esto se debe a la ausencia de distribución desigual de tensiones debido a la forma nodular del grafito.
Estos hierros fundidos tienen alta fluidez, la contracción lineal es de alrededor del 1%. Las tensiones de fundición en las piezas fundidas son algo más altas que las de la fundición gris. Debido al alto módulo de elasticidad, la maquinabilidad es bastante alta. Tienen una soldabilidad satisfactoria.
A partir de hierro fundido de alta resistencia, se fabrican piezas fundidas de paredes delgadas (anillos de pistón), martillos de forja, bancadas y estructuras de prensas y trenes de laminación, moldes, portaherramientas y placas frontales.
Las piezas fundidas de cigüeñales que pesan hasta 2..3 toneladas, en lugar de ejes de acero forjado, tienen una viscosidad cíclica más alta, son insensibles a los concentradores de tensión externos, tienen mejores propiedades antifricción y son mucho más baratos.
Marcado de hierro dúctil: indicado por el índice HF (hierro dúctil) y un número que muestra el valor de la resistencia a la tracción multiplicado por 10 -1 .
Por ejemplo: VCh 50: hierro fundido de alta resistencia con una resistencia a la tracción de 500 MPa.
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
1. Escriba el nombre del trabajo, su propósito.
2. Describa la producción de arrabio.
3.Completa la tabla:
3. Alta resistenciahierros fundidos
Trabajo práctico nº 4
Tema: "Estudio de los aceros estructurales al carbono y aleados"
Objetivo:
Progreso:
1. Familiarízate con la parte teórica.
2. Completar las tareas de la parte práctica.
parte teórica
El acero es una aleación de hierro y carbono, en la que el carbono está contenido en una cantidad de 0 -2,14%. Los aceros son los materiales más comunes. Tienen buenas propiedades tecnológicas. Los productos se obtienen como resultado del procesamiento por presión y corte.
Calidad según el contenido de impurezas nocivas: el acero con azufre y fósforo se divide en acero:
˗ Calidad ordinaria, hasta 0,06% de azufre y hasta 0,07% de fósforo.
˗ Alta calidad: hasta un 0,035 % de azufre y fósforo, cada uno por separado.
˗ Alta calidad - hasta 0,025% de azufre y fósforo.
˗ Calidad extra alta, hasta un 0,025% de fósforo y hasta un 0,015% de azufre.
La desoxidación es el proceso de eliminación del oxígeno del acero, es decir, según el grado de su desoxidación, existen: aceros tranquilos, es decir, completamente desoxidados; dichos aceros se designan con las letras "sp" al final de la marca (a veces se omiten las letras); acero hirviendo - ligeramente desoxidado; están marcados con las letras "kp"; aceros semisilenciosos, ocupando una posición intermedia entre los dos anteriores; denotado por las letras "ps".
El acero de calidad ordinaria también se subdivide según las entregas en 3 grupos: el acero del grupo A se suministra a los consumidores por sus propiedades mecánicas (dicho acero puede tener un alto contenido de azufre o fósforo); grupo de acero B - por composición química; acero del grupo B - con propiedades mecánicas y composición química garantizadas.
Los aceros estructurales están destinados a la fabricación de estructuras, piezas de máquinas y dispositivos.
Entonces, en Rusia y en los países de la CEI (Ucrania, Kazajstán, Bielorrusia, etc.), se adoptó un sistema alfanumérico para designar grados de aceros y aleaciones, desarrollado anteriormente en la URSS, donde, según GOST, los nombres de los elementos y los métodos de fundición de acero se indican condicionalmente con letras, y el contenido se indica con números. Hasta ahora, las organizaciones internacionales de normalización no han desarrollado un sistema de marcado de acero unificado.
Marcado estructural de acero al carbono
calidad ordinaria
˗ Designado según GOST 380-94 con las letras "St" y el número de marca condicional (de 0 a 6) dependiendo de la composición química y propiedades mecánicas.
˗ Cuanto mayor sea el contenido de carbono y las propiedades de resistencia del acero, mayor será su número.
˗ La letra "G" después del número de grado indica un mayor contenido de manganeso en el acero.
˗ El grupo de acero se indica antes del grado, y no se pone el grupo "A" en la designación del grado de acero.
˗ Para indicar la categoría de acero, se agrega un número a la designación del grado al final de la categoría correspondiente, la primera categoría generalmente no se indica.
Por ejemplo:
˗ St1kp2 - acero al carbono de calidad ordinaria, en ebullición, grado No. 1, segunda categoría, suministrado a los consumidores en términos de propiedades mecánicas (grupo A);
˗ VSt5G - acero al carbono de calidad ordinaria con alto contenido de manganeso, tranquilo, grado No. 5, primera categoría con propiedades mecánicas y composición química garantizadas (grupo B);
˗ VSt0 - acero al carbono de calidad ordinaria, grado número 0, grupo B, primera categoría (los aceros de los grados St0 y Bst0 no se dividen según el grado de desoxidación).
Marcado de aceros estructurales al carbono de calidad
˗ De acuerdo con GOST 1050-88, estos aceros están marcados con números de dos dígitos que muestran el contenido promedio de carbono en centésimas de porcentaje: 05; 08; 10; 25; 40, 45 etc
˗ Para los aceros tranquilos, no se añaden letras al final de sus nombres.
Por ejemplo, 08kp, 10ps, 15, 18kp, 20, etc.
˗ La letra G en el grado de acero indica un alto contenido de manganeso.
Por ejemplo: 14G, 18G, etc.
˗ El grupo más habitual para la fabricación de piezas de máquinas (árboles, ejes, casquillos, engranajes, etc.)
Por ejemplo:
˗ 10 - acero estructural de calidad al carbono, con un contenido de carbono de aproximadamente 0,1%, tranquilo
˗ 45 - acero estructural de calidad al carbono, con un contenido de carbono de aproximadamente 0,45%, calma
˗ 18 kp - acero estructural de calidad al carbono con un contenido de carbono de aproximadamente 0,18%, hirviendo
˗ 14G: acero al carbono estructural de alta calidad con un contenido de carbono de aproximadamente 0,14%, tranquilo, con un alto contenido de manganeso.
Marcado de aceros estructurales aleados
˗ De acuerdo con GOST 4543-71, los nombres de tales aceros consisten en números y letras.
˗ Los primeros dígitos del grado indican el contenido promedio de carbono en el acero en centésimas de porcentaje.
˗ Las letras indican los principales elementos de aleación incluidos en el acero.
˗ Los números después de cada letra indican el porcentaje aproximado del elemento correspondiente, redondeado a un número entero, con un contenido de elemento de aleación de hasta 1,5%, no se indica el número después de la letra correspondiente.
˗ La letra A al final del grado indica que el acero es de alta calidad (con un contenido reducido de azufre y fósforo)
˗ N - níquel, X - cromo, K - cobalto, M - molibdeno, V - tungsteno, T - titanio, D - cobre, G - manganeso, S - silicio.
Por ejemplo:
˗ 12X2H4A: acero de aleación estructural, de alta calidad, con un contenido de carbono de alrededor del 0,12 %, cromo alrededor del 2 %, níquel alrededor del 4 %
˗ 40KhN - acero de aleación estructural, con un contenido de carbono de aproximadamente 0,4%, cromo y níquel hasta 1,5%
Marcado de otros grupos de aceros estructurales
Aceros resorte-resorte.
˗ La principal característica diferenciadora de estos aceros es que el contenido de carbono en ellos debe ser del orden del 0,8% (en este caso aparecen propiedades elásticas en los aceros)
˗ Los resortes y resortes están hechos de aceros estructurales al carbono (65,70,75,80) y aleados (65S2, 50KhGS, 60S2KhFA, 55KhGR)
˗ Estos aceros están aleados con elementos que aumentan el límite elástico - silicio, manganeso, cromo, tungsteno, vanadio, boro
Por ejemplo: 60С2 - acero estructural al carbono para resortes con un contenido de carbono de aproximadamente 0,65%, silicio de aproximadamente 2%.
Aceros para rodamientos de bolas
˗ GOST 801-78 está marcado con las letras "ШХ", después de lo cual el contenido de cromo se indica en décimas de porcentaje.
˗ Para los aceros sometidos a refundición por electroescoria, se añade también la letra Ø al final de su denominación mediante un guión.
Por ejemplo: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.
˗ Se utilizan para fabricar piezas para rodamientos, también se utilizan para fabricar piezas que trabajan bajo cargas elevadas.
Por ejemplo: ШХ15 - acero estructural para cojinetes de bolas con un contenido de carbono del 1%, cromo 1,5%
Aceros automáticos
˗ GOST 1414-75 comienza con la letra A (automático).
˗ Si el acero es aleado con plomo, entonces su nombre comienza con las letras AC.
˗ Para reflejar el contenido de otros elementos en los aceros, se utilizan las mismas reglas que para los aceros estructurales aleados. Por ejemplo: A20, A40G, AS14, AS38HGM
Por ejemplo: AC40 - acero estructural automático, con un contenido de carbono de 0,4%, plomo 0,15-0,3% (no indicado en la marca)
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
2. Anotar las principales características del marcado de todos los grupos de aceros estructurales (calidad ordinaria, aceros de calidad, aceros estructurales aleados, aceros para resortes, aceros para cojinetes de bolas, aceros de corte libre), con ejemplos.
Asignación por opciones:
Descifrar los grados de acero y anotar el alcance de un grado en particular (es decir, para qué está destinado).
Trabajo práctico nº 5
Tema: "Estudio de aceros al carbono y aleados para herramientas"
Objetivo: familiarización de los estudiantes con el marcado y alcance de los aceros estructurales; formación de la capacidad de descifrar el marcado de aceros estructurales.
Progreso:
1. Familiarízate con la parte teórica.
2. Completar el trabajo de la parte práctica.
parte teórica
El acero es una aleación de hierro y carbono, en la que el carbono está contenido en una cantidad de 0-2,14%.
Los aceros son los materiales más comunes. Tienen buenas propiedades tecnológicas. Los productos se obtienen como resultado del procesamiento por presión y corte.
La ventaja es la capacidad de obtener el conjunto deseado de propiedades cambiando la composición y el tipo de procesamiento.
Dependiendo del propósito, los aceros se dividen en 3 grupos: aceros estructurales, para herramientas y para propósitos especiales.
Calidad según el contenido de impurezas nocivas: el acero de azufre y fósforo se divide en: acero de calidad ordinaria, contenido de hasta 0,06% de azufre y hasta 0,07% de fósforo; calidad - hasta 0,035% de azufre y fósforo cada uno por separado; alta calidad: hasta 0,025% de azufre y fósforo; especialmente de alta calidad, hasta un 0,025% de fósforo y hasta un 0,015% de azufre.
Los aceros para herramientas están destinados a la fabricación de diversas herramientas, tanto para el procesamiento manual como para el procesamiento mecánico.
La presencia de una amplia gama de aceros y aleaciones fabricados en diferentes países ha hecho necesaria su identificación, pero hasta el momento no existe un sistema único para marcar aceros y aleaciones, lo que crea ciertas dificultades para el comercio de metales.
Marcado de aceros al carbono para herramientas
˗ Estos aceros de acuerdo con GOST 1435-90 se dividen en alta calidad y alta calidad.
˗ Los aceros de alta calidad se designan con la letra U (carbono) y un número que indica el contenido promedio de carbono en el acero, en décimas de porcentaje.
Por ejemplo: U7, U8, U9, U10. U7 - acero al carbono para herramientas con un contenido de carbono de aproximadamente 0,7%
˗ Se añade la letra A a las designaciones de aceros de alta calidad (U8A, U12A, etc.). Además, en las designaciones de aceros al carbono para herramientas de alta calidad y de alta calidad, la letra G puede estar presente, lo que indica un mayor contenido de manganeso en el acero.
Por ejemplo: U8G, U8GA. U8A: acero al carbono para herramientas con un contenido de carbono de aproximadamente 0,8%, de alta calidad.
˗ Fabrican herramientas para trabajo manual (cincel, punzón, trazador, etc.), trabajo mecánico a bajas velocidades (taladro).
Marcado de aceros aleados para herramientas
˗ Las reglas para la designación de aceros aleados para herramientas según GOST 5950-73 son básicamente las mismas que para los aceros aleados estructurales.
La diferencia radica solo en los números que indican la fracción de masa de carbono en el acero.
˗ El porcentaje de carbono también se indica al principio de la denominación del acero, en décimas de uno por ciento, y no en centésimas, como ocurre con los aceros aleados estructurales.
˗ Si el contenido de carbono en el acero aleado para herramientas es de alrededor del 1,0 %, la cifra correspondiente al comienzo de su nombre generalmente no se indica.
Aquí hay ejemplos: acero 4Kh2V5MF, KhVG, KhVCh.
˗ 9Kh5VF: acero aleado para herramientas, con un contenido de carbono de alrededor del 0,9%, cromo alrededor del 5%, vanadio y tungsteno hasta el 1%
Marcado de alta aleación (alta velocidad)
aceros para herramientas
˗ Designado con la letra "P", el número que le sigue indica el porcentaje de tungsteno que contiene: A diferencia de los aceros aleados, el porcentaje de cromo no se indica en los nombres de los aceros rápidos, porque es alrededor del 4% en todos los aceros y al carbono (es proporcional al contenido de vanadio).
˗ La letra F, que indica la presencia de vanadio, se indica solo si el contenido de vanadio es superior al 2,5%.
Por ejemplo: R6M5, R18, R6 M5F3.
˗ Habitualmente estos aceros se utilizan para fabricar herramientas de alto rendimiento: taladros, fresas, etc. (para reducir el costo de solo la parte de trabajo)
Por ejemplo: R6M5K2 - acero rápido, con un contenido de carbono de alrededor del 1 %, alrededor del 6 % de tungsteno, alrededor del 4 % de cromo, hasta el 2,5 % de vanadio, alrededor del 5 % de molibdeno, alrededor del 2 % de cobalto.
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
1. Escriba el nombre del trabajo, su propósito.
2. Escriba los principios básicos para marcar todos los grupos de aceros para herramientas (al carbono, aleados, de alta aleación)
Asignación por opciones:
1. Descifrar los grados de acero y anotar el alcance de un grado en particular (es decir, para qué está destinado).
Trabajo práctico nº 6
Tema: "El estudio de las aleaciones a base de cobre: latón, bronce"
Objetivo: familiarización de los estudiantes con el marcado y el alcance de los metales no ferrosos: cobre y aleaciones a base de él: latón y bronce; formación de la capacidad de descifrar las marcas de latón y bronce.
Recomendaciones para los estudiantes:
Progreso:
1. Familiarízate con la parte teórica.
2. Completar el trabajo de la parte práctica.
parte teórica
Latón
El latón puede contener hasta un 45 % de zinc. El aumento del contenido de zinc al 45 % conduce a un aumento de la resistencia a la tracción de hasta 450 MPa. La ductilidad máxima se produce con un contenido de zinc de aproximadamente el 37 %.
Según el método de fabricación de productos, se distinguen el latón forjado y el latón fundido.
Los latones forjados están marcados con la letra L, seguida de un número que indica el porcentaje de cobre, por ejemplo, el latón L62 contiene 62 % de cobre y 38 % de zinc. Si, además del cobre y el zinc, hay otros elementos, se colocan sus letras iniciales (O - estaño, C - plomo, F - hierro, F - fósforo, Mts - manganeso, A - aluminio, C - zinc).
El número de estos elementos se indica mediante los números correspondientes después del número que muestra el contenido de cobre, por ejemplo, la aleación LAZH60-1-1 contiene 60 % de cobre, 1 % de aluminio, 1 % de hierro y 38 % de zinc.
El latón tiene una buena resistencia a la corrosión, que se puede mejorar aún más agregando estaño. El latón LO70 -1 es resistente a la corrosión en agua de mar y se denomina “latón marino”. La adición de níquel y hierro aumenta la resistencia mecánica hasta 550 MPa.
El latón fundido también se marca con la letra L. Después de la designación de la letra del principal elemento de aleación (zinc) y de cada subsiguiente, se coloca un número que indica su contenido promedio en la aleación. Por ejemplo, el latón LTS23A6Zh3Mts2 contiene 23 % de zinc, 6 % de aluminio, 3 % de hierro y 2 % de manganeso. La mejor fluidez la tiene la marca de latón LTS16K4. Los latones de fundición incluyen latones del tipo LS, LK, LA, LAZh, LAZhMts. Los latones de fundición no son propensos a la segregación, tienen una contracción concentrada, las piezas fundidas se obtienen con una alta densidad.
El latón es un buen material para estructuras que funcionan a bajas temperaturas.
Bronces
Las aleaciones de cobre con elementos distintos al zinc se denominan bronces. Los bronces se dividen en deformables y fundidos.
Al marcar bronces labrados, se colocan en primer lugar las letras Br, luego las letras que indican qué elementos, a excepción del cobre, forman parte de la aleación. Las letras van seguidas de números que indican el contenido de los componentes en la aleación. Por ejemplo, la marca BrOF10-1 significa que el bronce contiene 10 % de estaño, 1 % de fósforo y el resto es cobre.
El marcaje de los bronces de fundición también se inicia con las letras Br, luego se indican las letras de los elementos de aleación y se pone un número que indica su contenido medio en la aleación. Por ejemplo, el bronce BrO3Ts12S5 contiene 3 % de estaño, 12 % de zinc, 5 % de plomo, el resto es cobre.
Bronces al estaño Cuando el cobre se fusiona con el estaño, se forman soluciones sólidas. Estas aleaciones son muy propensas a la segregación debido al amplio rango de temperatura de cristalización. Debido a la segregación, las aleaciones con un contenido de estaño de más del 5 % son favorables para piezas como los cojinetes lisos: la fase blanda proporciona un buen rodaje, las partículas duras crean resistencia al desgaste. Por lo tanto, los bronces al estaño son buenos materiales antifricción.
Los bronces al estaño tienen una contracción volumétrica baja (alrededor del 0,8%), por lo que se utilizan en fundición artística. La presencia de fósforo proporciona una buena fluidez. Los bronces al estaño se dividen en bronces forjados y fundidos.
En los bronces deformables, el contenido de estaño no debe superar el 6%, para asegurar la plasticidad necesaria, BrOF6,5-0,15. Dependiendo de la composición, los bronces forjados se caracterizan por altas propiedades mecánicas, anticorrosivas, antifricción y elásticas, y se utilizan en diversas industrias. Varillas, tuberías, cintas, alambres están hechos de estas aleaciones.
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
1. Escriba el título y el propósito del trabajo.
2.Completa la tabla:
Nombrealeación, su
definición
Principal
propiedades
aleación
Ejemplo
marcas
Descifrado
sellos
Región
aplicaciones
Trabajo práctico número 7
Tema: "El estudio de las aleaciones de aluminio"
Objetivo: familiarización de los estudiantes con el marcado y el alcance de los metales no ferrosos: aluminio y aleaciones a base de él; estudio de las características del uso de las aleaciones de aluminio en función de su composición.
Recomendaciones para los estudiantes: Antes de continuar con la parte práctica de la tarea, lea atentamente las disposiciones teóricas, así como las conferencias en su libro de trabajo sobre este tema.
Progreso:
1. Familiarízate con la parte teórica.
2. Completar el trabajo de la parte práctica.
parte teórica
El principio de marcar aleaciones de aluminio. Al principio, se indica el tipo de aleación: D - aleaciones del tipo duraluminio; A - aluminio técnico; AK - aleaciones de aluminio maleables; B - aleaciones de alta resistencia; AL - aleaciones de fundición.
A continuación, se indica el número condicional de la aleación. El número condicional va seguido de una designación que caracteriza el estado de la aleación: M - suave (recocido); T - tratado térmicamente (endurecimiento más envejecimiento); H - trabajado en frío; P - semi-templado.
Según las propiedades tecnológicas, las aleaciones se dividen en tres grupos: aleaciones forjadas, no endurecidas por tratamiento térmico; aleaciones forjadas endurecidas por tratamiento térmico; aleaciones de fundición. Las aleaciones de aluminio sinterizado (SAS) y las aleaciones de polvo de aluminio sinterizado (SAP) se producen mediante métodos de pulvimetalurgia.
Aleaciones de fundición forjadas no endurecidas por tratamiento térmico.
La resistencia del aluminio se puede aumentar mediante aleación. En aleaciones que no se endurecen por tratamiento térmico, se introduce manganeso o magnesio. Los átomos de estos elementos aumentan significativamente su fuerza, reduciendo la plasticidad. Las aleaciones se designan: con manganeso - AMts, con magnesio - AMg; después de la designación del elemento, se indica su contenido (AMg3).
El magnesio actúa solo como endurecedor, el manganeso fortalece y aumenta la resistencia a la corrosión. La resistencia de las aleaciones aumenta solo como resultado de la deformación en estado frío. Cuanto mayor sea el grado de deformación, mayor será el aumento de la resistencia y la disminución de la ductilidad. Según el grado de endurecimiento, se distinguen las aleaciones endurecidas y semi endurecidas (AMg3P).
Estas aleaciones se utilizan para la fabricación de varios tanques soldados para combustible, nítrico y otros ácidos, estructuras de baja y media carga. Aleaciones deformables endurecidas por tratamiento térmico.
Tales aleaciones incluyen duraluminios (aleaciones complejas de sistemas de aluminio - cobre - magnesio o aluminio - cobre - magnesio - zinc). Tienen una resistencia a la corrosión reducida, para aumentar la cual se introduce manganeso. Los duraluminios generalmente se endurecen a una temperatura de 500 O C y envejecimiento natural, que está precedido por un período de incubación de dos a tres horas. La fuerza máxima se alcanza después de 4,5 días. Los duraluminios se utilizan ampliamente en la industria aeronáutica, la industria automotriz y la construcción.
Las aleaciones de envejecimiento de alta resistencia son aleaciones que contienen zinc además de cobre y magnesio. Las aleaciones V95, V96 tienen una resistencia a la tracción de unos 650 MPa. El principal consumidor es la industria aeronáutica (piel, larguerillos, largueros).
Las aleaciones de aluminio forjado AK, AK8 se utilizan para la fabricación de piezas forjadas. Las piezas forjadas se producen a una temperatura de 380-450 O C, sometido a endurecimiento desde una temperatura de 500-560 O C y envejecimiento a 150-165 O C dentro de las 6 horas.
El níquel, el hierro y el titanio se introducen adicionalmente en la composición de las aleaciones de aluminio, lo que aumenta la temperatura de recristalización y la resistencia al calor hasta 300 O CON.
Se fabrican pistones, álabes y discos de compresores axiales, motores turborreactores.
Aleaciones coladas
Las aleaciones fundidas incluyen aleaciones del sistema aluminio-silicio (silumins) que contienen 10-13% de silicio. El aditivo a las siluminas de magnesio y cobre contribuye al efecto de endurecimiento de las aleaciones fundidas durante el envejecimiento. El titanio y el circonio muelen el grano. El manganeso mejora las propiedades anticorrosivas. El níquel y el hierro aumentan la resistencia al calor.
Las aleaciones fundidas están marcadas de AL2 a AL20. Las siluminas se utilizan ampliamente para la fabricación de piezas fundidas para dispositivos y otras piezas de carga media y ligera, incluidas las piezas fundidas de pared delgada de forma compleja.
parte práctica
Tarea para los estudiantes:
1. Escriba el título y el propósito del trabajo.
2. Completa la tabla:
Nombrealeación, su
definición
Principal
propiedades
aleación
Ejemplo
marcas
Descifrado
sellos
Región
aplicaciones
Laboratorio #1
Tema: "Propiedades mecánicas de los metales y métodos para su estudio (dureza)"
Objetivo:
Progreso:
1. Familiarícese con las disposiciones teóricas.
2. Completar la tarea del profesor.
3. Hacer un informe de acuerdo con la tarea.
parte teórica
La dureza es la capacidad de un material para resistir la penetración de otro cuerpo en él. Cuando se prueba la dureza, el cuerpo introducido en el material y llamado indentador debe ser más duro, tener cierto tamaño y forma, y no debe sufrir una deformación permanente. Los ensayos de dureza pueden ser estáticos o dinámicos. El primer tipo incluye pruebas por el método de indentación, el segundo, por el método de indentación por impacto. Además, existe un método para determinar la dureza por rascado: la esclerometría.
Por el valor de la dureza del metal, puede hacerse una idea del nivel de sus propiedades. Por ejemplo, cuanto mayor sea la dureza determinada por la presión de la punta, menor será la ductilidad del metal y viceversa.
La prueba de dureza por el método de indentación consiste en el hecho de que un indentador (diamante, acero templado, aleación dura) en forma de bola, cono o pirámide se presiona en la muestra bajo la acción de una carga. Después de retirar la carga, queda una huella en la muestra, midiendo el valor de la cual (diámetro, profundidad o diagonal) y comparándolo con las dimensiones del penetrador y la carga, se puede juzgar la dureza del metal.
La dureza se determina en dispositivos especiales: probadores de dureza. Muy a menudo, la dureza se determina mediante los métodos de Brinell (GOST 9012-59) y Rockwell (GOST 9013-59).
Existen requisitos generales para la preparación y análisis de muestras mediante estos métodos:
1. La superficie de la muestra debe estar limpia, sin defectos.
2. Las muestras deben tener un cierto espesor. Después de recibir la impresión, no debería haber signos de deformación en el reverso de la muestra.
3. El espécimen debe reposar firme y firmemente en el escenario.
4. La carga debe actuar perpendicularmente a la superficie de la muestra.
Determinación de la dureza Brinell
La dureza del metal según Brinell se determina indentando una bola de acero endurecido (Fig. 1) con un diámetro de 10 en la muestra; 5 o 2,5 mm y se expresa por el número de dureza HB obtenido al dividir la carga aplicada P en N o kgf (1N = 0,1 kgf) por el área superficial de la huella F formada en la muestra en mm
número de dureza Brinell media pensión expresado como la relación de la carga aplicadaFa la plazaSsuperficie esférica de la huella (agujero) en la superficie medida.
media pensión = , (MPa),
donde
S– área de la superficie esférica de la huella, mm 2 (expresado a través deDyD);
D– diámetro de la bola, mm;
D– diámetro de impresión, mm;
valor de cargaF, diámetro de bolaDy la duración de la exposición bajo carga τ, se seleccionan de acuerdo con la tabla 1.
Figura 1. Esquema de medición de dureza Brinell.
a) Esquema de presionar la bola en el metal de prueba
FDes el diámetro de la bola,D otp - el diámetro de la huella;
b) Medición del diámetro de la huella con una lupa (en la figuraD= 4,2 mm).
tabla 1.
Elección del diámetro de la bola, la carga y el tiempo de permanencia bajo carga según
de la dureza y el espesor de la muestra
más de 66…3
menos de 3
29430 (3000)
7355 (750)
1840 (187,5)
Menos de 1400
más de 6
6…3
menos de 3
9800 (1000)
2450 (750)
613 (62,5)
Metales no ferrosos y aleaciones (cobre, latón, bronce, aleaciones de magnesio, etc.)
350-1300
más de 6
6…3
menos de 3
9800 (1000)
2450 (750)
613 (62,5)
30
Metales no ferrosos (aluminio, aleaciones para cojinetes, etc.)
80-350
más de 6
6…3
menos de 3
10
5
2,5
2450 (250)
613 (62,5)
153,2 (15,6)
60
La figura 2 muestra un diagrama de un dispositivo de palanca. La muestra se monta en la mesa de objetos 4. Girando el volante 3, el tornillo 2 levanta la muestra hasta que entra en contacto con la bola 5 y luego hasta que el resorte 7, colocado en el eje 6, se comprime por completo. una precarga en la bola igual a 1 kN (100 kgf), que proporciona una posición estable de la muestra durante la carga. Después de eso, el motor eléctrico 13 se enciende y, a través del engranaje helicoidal de la caja de cambios 12, la biela 11 y el sistema de palancas 8.9 ubicado en el cuerpo 1 del probador de dureza con pesos 10 crea una carga completa dada en la bola . Se obtiene una impresión esférica en la muestra de prueba. Después de descargar el dispositivo, se retira la muestra y se determina el diámetro de la huella con una lupa especial. El valor medio aritmético de las mediciones en dos direcciones mutuamente perpendiculares se toma como el diámetro calculado de la muesca.
Figura 2. Diagrama del dispositivo Brinell
Utilizando la fórmula anterior, utilizando el diámetro de indentación medido, se calcula el número de dureza HB. El número de dureza en función del diámetro de la impresión resultante también se puede encontrar en las tablas (consulte la tabla de números de dureza).
Al medir la dureza con una bola con un diámetro D = 10,0 mm bajo una carga F = 29430 N (3000 kgf), con un tiempo de retención τ = 10 s, el número de dureza se escribe de la siguiente manera:media pensión2335 MPa o según la antigua designación HB 238 (en kgf/mm 2 )
Al medir la dureza Brinell, recuerde lo siguiente:
Es posible probar materiales con una dureza de no más de HB 4500 MPa, ya que con una muestra de mayor dureza, se produce una deformación inaceptable de la bola;
Para evitar perforaciones, el espesor mínimo de la muestra debe ser al menos diez veces la profundidad de la muesca;
La distancia entre los centros de dos impresiones adyacentes debe ser de al menos cuatro diámetros de impresión;
La distancia desde el centro de la impresión hasta la superficie lateral de la muestra debe ser de al menos 2,5D.
Determinación de la dureza Rockwell
De acuerdo con el método Rockwell, la dureza de los metales se determina indentando una bola de acero endurecido con un diámetro de 1,588 mm o un cono de diamante con un ángulo de vértice de 120 en la muestra de prueba. O bajo la acción de dos cargas aplicadas secuencialmente: preliminar Р0 = 10 kgf y total Р, igual a la suma de las cargas preliminar Р0 y principal Р1 (Fig. 3).
número de dureza RockwellHORAse mide en unidades adimensionales arbitrarias y se determina mediante las fórmulas:
HORA C = - cuando el cono de diamante está sangrado
HORA v = - cuando se presiona una bola de acero,
donde 100– el número de divisiones de la escala negra C, 130 es el número de divisiones de la escala roja B de la esfera del indicador que mide la profundidad de la muesca;
h 0 - la profundidad de indentación del cono o bola de diamante bajo la acción de la precarga. mmm
h– profundidad de indentación del cono o bola de diamante bajo la acción de la carga total, mm
0,002: el valor de la división de la escala del dial del indicador (el movimiento del cono de diamante al medir la dureza en 0,002 mm corresponde al movimiento del puntero del indicador en una división), mm
El tipo de punta y el valor de la carga se seleccionan según la tabla 2, en función de la dureza y el espesor de la muestra de ensayo. .
Número de dureza Rockwell (HORA) es una medida de la profundidad de la sangría y se expresa en unidades arbitrarias. Una unidad de dureza es un valor adimensional correspondiente a un desplazamiento axial de 0,002 mm. El número de dureza Rockwell se indica directamente mediante una flecha en la escala C o B del indicador después de la eliminación automática de la carga principal. La dureza de un mismo metal, determinada por diferentes métodos, se expresa en diferentes unidades de dureza.
Por ejemplo,media pensión 2070, HORA C 18 oHORA v 95.
Figura 3. Esquema de medición de dureza Rockwell
Tabla 2
V
HORA V
bola de acero
981 (100)
0,7
25…100
en una escala B
2000 a 7000 (aceros templados)
CON
HORA CON
cono de diamante
1471 (150)
0,7
20…67
en una escala C
De 4000 a 9000 (piezas cementadas o nitruradas, aleaciones duras, etc.)
A
HORA A
cono de diamante
588 (60)
0,4
70…85
en una escala B
El método Rockwell se caracteriza por su simplicidad y alta productividad, asegura la conservación de una superficie de alta calidad después de la prueba y permite probar metales y aleaciones, tanto de baja como de alta dureza. Este método no se recomienda para aleaciones de estructura heterogénea (fundición gris, fundición maleable y de alta resistencia, aleaciones antifricción, etc.).
parte práctica
Reportar contenido.
Indicar el título de la obra, su finalidad.
Responde a las preguntas:
1. ¿A qué se llama dureza?
2. ¿Cuál es la esencia de la definición de dureza?
3. ¿Qué 2 métodos de prueba de dureza conoce? ¿Cuál es su diferencia?
4. ¿Cómo debe prepararse la muestra para la prueba?
5. ¿Cómo explicar la falta de un método universal para determinar la dureza?
6. ¿Por qué la dureza se determina con mayor frecuencia entre las muchas características mecánicas de los materiales?
7. Anota en tu cuaderno el esquema para determinar la dureza Brinell y Rockwell.
Laboratorio #2
Tema: "Propiedades mecánicas de los metales y métodos para su estudio (resistencia, elasticidad)"
Objetivo: estudiar las propiedades mecánicas de los metales, métodos para su estudio.
Progreso:
1. Familiarícese con las disposiciones teóricas.
2. Completar la tarea del profesor.
3. Hacer un informe de acuerdo con la tarea.
parte teórica
Las principales propiedades mecánicas son resistencia, elasticidad, viscosidad, dureza. Conociendo las propiedades mecánicas, el proyectista elige razonablemente el material apropiado que asegure la confiabilidad y durabilidad de las estructuras con su peso mínimo.
Las propiedades mecánicas determinan el comportamiento del material durante la deformación y destrucción por la acción de cargas externas. Dependiendo de las condiciones de carga, las propiedades mecánicas se pueden determinar en:
1. Carga estática: la carga en la muestra aumenta lenta y suavemente.
2. Carga dinámica: la carga aumenta a alta velocidad, tiene un carácter de choque.
3. Carga variable repetida o cíclica: la carga durante la prueba cambia repetidamente en magnitud o en magnitud y dirección.
Para obtener resultados comparables, las muestras y la metodología para realizar pruebas mecánicas están reguladas por GOST. En un ensayo de tracción estática: GOST 1497, se obtienen características de resistencia y ductilidad.
Fuerza: la capacidad de un material para resistir la deformación y la destrucción.
La plasticidad es la capacidad de un material para cambiar su tamaño y forma bajo la influencia de fuerzas externas; medida de plasticidad - el valor de la deformación residual.
El dispositivo que determina la resistencia y la ductilidad es una máquina de ensayo de tracción que registra el diagrama de tensión (ver Fig. 4), expresando la relación entre el alargamiento de la muestra y la carga actuante.
Arroz. Fig. 4. Diagrama de estiramiento: a – absoluto, b – relativo.
La sección oa del diagrama corresponde a la deformación elástica del material cuando se observa la ley de Hooke. El esfuerzo correspondiente a la deformación última elástica en el punto a se denomina límite proporcional.
El límite proporcional es el voltaje máximo hasta el cual es válida la ley de Hooke.
A tensiones por encima del límite de proporcionalidad, se produce una deformación plástica uniforme (alargamiento o estrechamiento de la sección transversal).
Punto b - límite elástico - el estrés más alto, hasta el cual no se produce deformación residual en la muestra.
El área cd es el límite elástico, corresponde al límite elástico: esta es la tensión a la que se produce un aumento de la deformación en la muestra sin aumentar la carga (el material "fluye").
Muchos grados de acero, metales no ferrosos no tienen un límite elástico pronunciado, por lo tanto, se establece un límite elástico condicional para ellos. El límite elástico condicional es el esfuerzo que corresponde a una deformación residual igual al 0,2% de la longitud inicial de la muestra (acero aleado, bronce, duraluminio y otros materiales).
El punto B corresponde al límite de resistencia (aparece adelgazamiento local en la muestra - un cuello, la formación de adelgazamiento es típica de los materiales plásticos).
La resistencia a la tracción es la tensión máxima que la muestra puede soportar antes de la resolución (resistencia a la tracción).
Más allá del punto B, la carga cae (debido a la elongación del cuello) y ocurre la falla en el punto K.
Parte práctica.
Reportar contenido.
1. Indicar el nombre de la obra, su finalidad.
2. ¿Qué propiedades mecánicas conoces? ¿Qué métodos determinan las propiedades mecánicas de los materiales?
3. Escriba la definición de los conceptos de resistencia y ductilidad. ¿Qué métodos se utilizan para determinarlos? ¿Cuál es el nombre del dispositivo que determina estas propiedades? ¿Cómo se definen las propiedades?
4. Registrar la curva de tensión absoluta del material plástico.
5. Después del diagrama, especifique los nombres de todos los puntos y secciones del diagrama.
6. ¿Qué límite es la principal característica a la hora de elegir un material para la fabricación de cualquier producto? Justifica la respuesta.
7. ¿Qué materiales son más fiables en el trabajo, frágiles o dúctiles? Justifica la respuesta.
Bibliografía
Principal:
Adaskin AM, Zuev V.M. Ciencia de los materiales (metalurgia). - M .: JIC "Academia", 2009 - 240 p.
Adaskin AM, Zuev V.M. Ciencia de materiales y tecnología de materiales. - M.: FORO, 2010 - 336 p.
Chumachenko Yu.T. Ciencia de Materiales y Fontanería (NPO y SPO). - Rostov n / D .: Phoenix, 2013 - 395 p.
Adicional:
Zhukovets II Ensayos mecánicos de metales. - M.: Vyssh.shk., 1986. - 199 p.
Lakhtin Yu.M. Fundamentos de la ciencia de los materiales. – M.: Metalurgia, 1988.
Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Ciencia de los Materiales. - M.: Mashinostroenie, 1990.
Recursos electrónicos:
1. Revista "Ciencia de los Materiales". (Recurso electrónico) – formulario de acceso http://www.nait.ru/journals/index.php?p_journal_id=2.
2. Ciencia de los materiales: recurso educativo, formulario de acceso http://www.supermetalloved/narod.ru.
3. Clasificador de acero. (Recurso electrónico) – formulario de acceso www.splav.kharkov.com.
4. Centro Federal de Información y Recursos Educativos. (Recurso electrónico) – formulario de acceso www.fcior.ru.
Preguntas para el examen del segundo año de la facultad de MI.
Preguntas para el examen para estudiantes de 1er año de IM
trabajos de laboratorio
Diarios de laboratorio para el curso "Ciencia de los Materiales"
(Los estudiantes deben llevar una versión impresa de los diarios de laboratorio para el trabajo de laboratorio)
Trabajo de laboratorio en el curso "Ciencia de los materiales"
Trabajo de laboratorio en el curso "Ciencia de los materiales"
La principal literatura educativa y didáctica-metódica sobre las disciplinas leídas en el departamento.
Ciclo Ciencia de los Materiales
1. Bogodukhov S.I., Kozik E.S. Ciencia de los Materiales. Libro de texto para escuelas secundarias. – M.: Mashinostroenie, 2015. – 504 p.
2. Solntsev Yu.P., Pryakhin E.I. Ciencia de los Materiales. Libro de texto para escuelas secundarias. - San Petersburgo: KHIMIZDAT, 2007. - 784 p.
3. Arzamasov V.B., Cherepakhin A.A. Ciencia de los Materiales. Libro de texto. - M.: Examen, 2009. - 352 p.: il.
4. Oskin V. A., Baikalova V. N., Karpenkov V. F. Taller sobre ciencia de materiales y tecnología de materiales estructurales: libro de texto para escuelas secundarias (ed. Oskin V.A., Baikalova V.N.) . - M.: KolosS, 2007. - 318 p.: il.
5. Ciencia de los materiales y tecnología de los metales: un libro de texto para universidades / G.P. Fetisov y otros - 6ª ed., add. - M.: Escuela Superior, 2008. - 878 p.
6. Ciencia de materiales y tecnología de metales: un libro de texto para universidades en especialidades de ingeniería / G.P. Fetisov, M. G. Karpman y otros - M .: Higher School, 2009. - 637 p.
7. Medvedeva M. L., Prygaev A. K. Cuaderno de ciencia de los materiales. Guía metodológica - M.: Centro de Publicaciones de la Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas. ELLOS. Gubkina, 2010, 90 págs.
8. Efimenko L.A., Elagina O.Yu., Prygaev A.K., Vyshemirsky E.M., Kapustin O.E., Muradov A.V. Aceros para tuberías prometedores y tradicionales para la construcción de gasoductos y oleoductos. Monografía. – M.: Logotipos, 2011, 336 p.
9. Prygaev A.K., Kurakin I.B., Vasiliev A.A., Krivosheev Yu.V. Justificación de la elección de materiales estructurales y desarrollo de sus modos de tratamiento térmico para la fabricación de piezas de máquinas y equipos para la industria del petróleo y el gas. Manual metódico para el trabajo del curso en la disciplina "Ciencia de los materiales" - M .: Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas que lleva el nombre de I.M. Gubkina, 2015
10. Fektistov G.P., Karpman M.G., Miatyukhin V.M. etc. Ciencia de materiales y tecnología de materiales. - M.: Escuela Superior, 2000
11. Gulyaev A.P. Ciencia de los Materiales. - M.: Metalurgia, 1986
12. Efimenko L.A., Prygaev A.K., Elagina O.Yu. Ciencia de los metales y tratamiento térmico de uniones soldadas. Tutorial. - M.: Logos, 2007. - 455 p.: il.
13. Pautas para el trabajo de laboratorio en el curso "Ciencia de los Materiales" parte 1 y parte 2, - M.: RGU de Petróleo y Gas, 2000
14. Trofímova G.A. Pautas para el trabajo de laboratorio "Construcción y análisis de una curva termomecánica para polímeros amorfos" y "Determinación de las propiedades mecánicas de plásticos y cauchos". - M .: Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas que lleva el nombre de I.M. Gubkina, 1999
Ciclo Corrosión y protección de equipos NGP
1. Semenova I.V., Florianovich G.M., Khoroshilov A.V. Protección contra la corrosión y la corrosión. - M: Fizmatlit, 2010. - 416 p.
2. Medvedeva M. L. Corrosión y protección de equipos en procesamiento de petróleo y gas. Tutorial. M .: Editorial de la Empresa Unitaria Estatal Federal "Petróleo y Gas" Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas. IM Gubkina, 2005. - 312 p .: enfermo.
3. Medvedeva M.L., Muradov A.V., Prygaev A.K. Corrosión y protección de tuberías y tanques principales: libro de texto para universidades de petróleo y gas. - M .: Centro de Publicaciones de la Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas que lleva el nombre de I.M. Gubkina, 2013. - 250 págs.
4. Sorokin G.M., Efremov A.P., Saakiyan L.S. Corrosión-desgaste mecánico de aceros y aleaciones. -M.: Petróleo y gas, 2002
Ciclo Tribología
1. Sorokin G. M., Malyshev V. N., Kurakin I. B. Tribología de aceros y aleaciones: Libro de texto para universidades. - M.: Universidad Estatal Rusa de Petróleo y Gas que lleva el nombre de I.M. Gubkina, 2013. - 383 p.: il.
2. Sorokin GM, Kurakin IB Análisis de sistemas y criterios complejos para la resistencia de los aceros. - M.: Nedra Publishing House LLC, 2011. - 101 p.
3. Sorokin G. M. Tribología de aceros y aleaciones. Moscú: Nedra, 2000
4. V. N. Vinogradov y G. M. Sorokin, Acoust. Desgaste mecánico de aceros y aleaciones: libro de texto para universidades. - M.: Nedra, 1996. - 364 p.: il.
5. V. N. Vinogradov y G. M. Sorokin, Acoust. Resistencia al desgaste de aceros y aleaciones: libro de texto para universidades. - M.: Petróleo y gas, 1994. - 417 p.: il. 246.
Tema:Estudio del proceso de cristalización de los metales
Objetivo: estudiar el mecanismo de cristalización de los metales, las condiciones energéticas para el transcurso del proceso de cristalización.
Orden de trabajo
1. Estudiar información teórica.
2. En un cuaderno para trabajos prácticos, responder preguntas de control por escrito.
Información teórica
Una propiedad común de los metales y las aleaciones es su estructura cristalina, que se caracteriza por una determinada disposición de los átomos en el espacio. Para describir la estructura del cristal atómico, se utiliza el concepto de celda de cristal: el volumen más pequeño, cuya traducción en todas las dimensiones puede reproducir completamente la estructura del cristal. En un cristal real, los átomos o iones se acercan entre sí hasta un estado de contacto directo, pero por simplicidad se reemplazan por diagramas donde los centros de atracción de los átomos o iones se muestran como puntos; las celdas más características de los metales se muestran en la fig. 1.1.
Figura 1.1. Tipos de redes cristalinas y disposición de los átomos en ellas:
a) centrado en las caras (fcc), b) centrado en el cuerpo (bcc), c) compacto hexagonal (HS)
Cualquier sustancia puede estar en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso, y la transición de un estado a otro se produce a una determinada temperatura y presión. La mayoría de los procesos tecnológicos ocurren a presión atmosférica, luego las transiciones de fase se caracterizan por la temperatura de cristalización (fusión), sublimación y ebullición (evaporación).
Con un aumento en la temperatura de un cuerpo sólido, aumenta la movilidad de los átomos en los nodos de la celda de cristal y aumenta su amplitud de oscilación. Cuando se alcanza la temperatura de fusión, la energía de los átomos se vuelve suficiente para salir de la célula, colapsa con la formación de una fase líquida. La temperatura de fusión es una constante física importante de los materiales. Entre los metales, el mercurio tiene el punto de fusión más bajo (-38,9 °C) y el tungsteno el más alto (3410 °C).
La imagen opuesta tiene lugar cuando el líquido se enfría con su posterior solidificación. Cerca del punto de fusión, se forman grupos de átomos, empaquetados en células, como en un sólido. Estos grupos son los centros (gérmenes) de cristalización, y luego crece una capa de cristales sobre ellos. Cuando se alcanza la misma temperatura de fusión, el material pasa a estado líquido con la formación de una red cristalina.
La cristalización es la transición de un metal de un estado líquido a un estado sólido a una temperatura determinada. De acuerdo con la ley de la termodinámica, cualquier sistema tiende a pasar a un estado con un valor mínimo de energía libre, una energía interna compuesta que se puede convertir en trabajo isotérmicamente. Por lo tanto, el metal se solidifica cuando el estado sólido tiene menos energía libre y se funde cuando la energía libre en el estado líquido es menor.
El proceso de cristalización consta de dos procesos elementales: la nucleación de los centros de cristalización y el crecimiento de cristales a partir de estos centros. Como se señaló anteriormente, a una temperatura cercana a la cristalización, comienza la formación de una nueva estructura, el centro de cristalización. Con un aumento en el grado de sobreenfriamiento, aumenta el número de tales centros alrededor de los cuales los cristales comienzan a crecer. Al mismo tiempo, se forman nuevos centros de cristalización en la fase líquida, por lo que el aumento de la fase sólida se produce simultáneamente tanto por la aparición de nuevos centros como por el crecimiento de los existentes. La tasa de cristalización total depende del curso de ambos procesos, y las tasas de nucleación de centros y crecimiento de cristales dependen del grado de sobreenfriamiento ΔТ. En la fig. 1.2 muestra esquemáticamente el mecanismo de cristalización.
Arroz. 1.2. mecanismo de cristalización
Los cristales reales se llaman cristalitos, tienen una forma irregular, lo que se explica por su crecimiento simultáneo. Los núcleos de cristalización pueden ser fluctuaciones del metal base, impurezas y diversas partículas sólidas.
Los tamaños de grano dependen del grado de sobreenfriamiento: a valores bajos de ΔT, la tasa de crecimiento de los cristales es alta, por lo que se forma una cantidad insignificante de cristalitos grandes. Un aumento en ΔT conduce a un aumento en la tasa de formación de núcleos, el número de cristalitos aumenta significativamente y su tamaño disminuye. Sin embargo, el papel principal en la formación de la estructura metálica lo desempeñan las impurezas (inclusiones no metálicas, óxidos, productos de desoxidación): cuanto más, menor es el tamaño del grano. A veces, la modificación del metal se lleva a cabo a propósito: la introducción deliberada de impurezas para reducir el tamaño del grano.
En la formación de una estructura cristalina, la dirección de eliminación de calor juega un papel importante, porque el cristal crece más rápido en esta dirección. La dependencia de la tasa de crecimiento de la dirección conduce a la formación de cristales ramificados en forma de árbol: dendritas (Fig. 1.3).
Arroz. 1.3 Cristal dendrítico
Durante la transición de un estado líquido a un estado sólido, siempre tiene lugar una cristalización selectiva: el metal más puro se solidifica primero. Por lo tanto, los límites de grano están más enriquecidos con impurezas y la heterogeneidad de la composición química dentro de las dendritas se denomina segregación dendrítica.
En la fig. 1.4. Se muestra la estructura de un lingote de acero, en el que se pueden distinguir 3 zonas características: de grano fino 1, una zona de cristales columnares 2 y una zona de cristales en equilibrio 3. La zona 1 está formada por un gran número de cristales no orientados en espacio, formado bajo la influencia de una diferencia de temperatura significativa entre el metal líquido y las paredes frías.
Arroz. 1.4. La estructura del lingote de acero.
Después de la formación de la zona exterior, las condiciones para la eliminación de calor se deterioran, disminuye el sobreenfriamiento y aparecen menos centros de cristalización. Los cristales comienzan a crecer a partir de ellos en la dirección de eliminación de calor (perpendicular a las paredes del molde), formando la zona 2. En la zona 3, no hay una dirección clara de eliminación de calor, y los núcleos de cristalización son partículas extrañas desplazadas durante la cristalización de zonas anteriores.
Preguntas de control
1. ¿En qué estados de agregación puede existir un material?
2. ¿Qué se llama una transformación de fase del primer tipo?
3. ¿A qué proceso se le llama cristalización, a qué tipo de transformación de fase pertenece?
4. Describir el mecanismo de cristalización del metal y las condiciones necesarias para iniciarlo.
5. ¿Qué causó la forma dendrítica de los cristales?
6. Describe la estructura de un lingote de metal
Cargando...