Kratke teorijske informacije. Laboratorijski rad na kolegiju "Znanost o materijalima"

Predstavljen je metodološki razvoj praktične nastave za akademsku disciplinu OP 08 "Znanost o materijalima" u specijalnosti srednjeg strukovnog obrazovanja 22.02.06 "Proizvodnja zavarivanja".

Tijekom ovog rada studenti proučavaju vrste i karakteristike kristalnih rešetki metala, utjecaj kristalnih rešetki na strukturu i svojstva metala i njihovih legura.

Na kraju rada studenti trebaju odgovoriti na kontrolna pitanja.

Preuzimanje datoteka:

Pregled:

Upute za praktični rad na temu "Proučavanje vrsta kristalnih rešetki i njihov utjecaj na strukturu i svojstva metala i njihovih legura" za studente druge godine specijalnosti srednjeg strukovnog obrazovanja 22.02.06 "Proizvodnja zavarivanja" u akademskom disciplina OP 08 "Znanost o materijalima"

Nikiforuk Tatjana Aleksejevna.

nastavnik posebnih disciplina,

TOGBPOU "Diversified College",

Moršansk, Tambovska oblast

Moršansk, 2016

Osnovne teorijske postavke 3

Atomsko-kristalna struktura metala 3
Transformacije u čvrstom stanju. Polimorfizam 6
Postupak izvođenja praktičnog rada 8
Sadržaj izvješća o praksi 8

Cilj: Upoznati se s vrstama i karakteristikama kristalnih rešetki metala. Proučiti utjecaj kristalnih rešetki na strukturu i svojstva metala.

Osnovne teorijske odredbe

ATOMSKO-KRISTALNA STRUKTURA METALA.

metalni materijali. 83 od poznatih 112 kemijskih elemenata D. I. periodnog sustava su metali. Imaju niz karakterističnih svojstava:

- visoka toplinska i električna vodljivost;

- pozitivan koeficijent električnog otpora (s povećanjem temperature, električni otpor se povećava);

- termoemisija (emisija elektrona tijekom zagrijavanja);

- dobra refleksija (sjaj);

- sposobnost plastične deformacije;

Polimorfizam.

Prisutnost ovih svojstava posljedica je metalnog stanja tvari, od kojih je glavno prisustvo lako pokretnih kolektiviziranih vodljivih elektrona.

Metalno stanje nastaje u skupu atoma, kada, kako se približavaju jedan drugome, vanjski (valentni) elektroni gube vezu s pojedinačnim atomima, postaju zajednički i slobodno se kreću između pozitivno nabijenih, periodički smještenih iona. Privlačne sile (sile sprega) u čvrstim tijelima bitno se razlikuju po prirodi. Obično se razmatraju četiri glavne vrste veza u čvrstim tijelima: van der Waalsova, kovalentna, metalna i ionska.

Pod atomsko-kristalnom strukturom podrazumijeva se međusobni raspored atoma u kristalu. Kristal se sastoji od atoma (iona) poredanih određenim redoslijedom koji se periodički ponavlja u tri dimenzije.

Najmanji kompleks atoma, koji, kada se više puta ponavlja u prostoru, omogućuje reprodukciju prostorne kristalne rešetke, naziva se elementarna stanica.

Za karakterizaciju jedinične ćelije koriste se parametri kristalne rešetke:

Tri rebra a, b, c , mjereno u angstremima (1Å = 1 * 10-8 cm) ili u kiloixima - kX (1kX = 1,00202 Å) i tri kutaα , β , γ , ;

Kompaktna strukturaη - omjer volumena koji zauzimaju atomi prema volumenu ćelije (za bcc rešetkuη = 64%, za FCC rešetku n = 74%);

Koordinacijski broj K je broj najbližih susjeda danog atoma: za bcc rešetku, ovaj broj je 8, tj. atomi koji se nalaze na vrhu pripadaju osam jediničnih ćelija (slika 1.a), za fcc rešetku taj broj je 12, tj. atomi koji se nalaze na vrhu pripadaju dvanaest elementarnih ćelija (slika 1.b).

Slika 1. Shema za određivanje koordinacijskog broja kristalne rešetke:

a – HCC;

b - BCC;

c - GPU

Najjednostavniji tip kristalne ćelije je kubna rešetka. U jednostavnoj kubičnoj rešetki atomi nisu dovoljno čvrsto zbijeni.

Želja atoma metala da zauzmu mjesta koja su najbliža jedni drugima dovodi do stvaranja rešetki drugih tipova (slika 2.):

Tijelocentrirana kubična rešetka (BCC) (slika 2.a) s parametrom

a \u003d 0,28 - 0,6 mm \u003d 2,8 - 6,0 Å

Lice centriran kubična rešetka (FCC) (Sl. 2.b) s parametrom

a = 0,25 mm

Heksagonalna gusto pakirana rešetka (HCP) (Sl. 2.c) s parametrom

c/a ≈ 1,633

Slika 2. Kristalne rešetke: a – plošno centrirana kocka (BCC); b – tjelesno centrirana kocka (FCC); c- heksagonalno zatvoreno pakirano (hcp)

Čvorovi (položaji atoma), pravci u ravnini i prostoru označavaju se pomoću tzv. Millerovih indeksa (slika 3).

Indeksi čvorova su napisani - (mnp),

Indeksi smjera su zapisani −[mnp] ,

Indeks ravnine je zapisan - (hk1).

Slika 3. Simboli za neke od najvažnijih čvorova, pravaca i ravnina u kubičnoj rešetki.

Zbog nejednake gustoće atoma u različitim ravninama i smjerovima rešetke, mnoga svojstva monokristala (kemijska, fizikalna, mehanička) u određenom smjeru razlikuju se od svojstava u drugom smjeru i, naravno, ovise o tome koliko se atoma nalazi u ovom smjeru.

Razlika u svojstvima ovisno o smjeru ispitivanja naziva se anizotropija.

Svi kristali su anizotropni.

Anizotropija je karakteristika svakog kristala, karakteristika kristalne strukture.

Tehnički metali su polikristali, tj. sastoje se od niza kristalita različitih orijentacija. U ovom slučaju, svojstva u svim smjerovima su prosječna.

TRANSFORMACIJE U ČVRSTOM STANJU. POLIMORFIZAM.

Atomi danog elementa mogu tvoriti, ako polazimo samo od geometrijskih razmatranja, bilo koju kristalnu rešetku. Međutim, stabilan i stoga stvarno postojeći tip je rešetka s najmanjom rezervom slobodne energije.

Dakle, različiti metali tvore različite tipove kristalne rešetke:

Li, Na, K, Mo, W—bcc;

- Al, Ca, Cu, Au, Pt—fcc;

Mg, Zr, Hf - hcp.

Međutim, u nekim slučajevima, kada se temperatura ili tlak promijeni, može se pokazati da će za isti metal drugačija rešetka biti stabilnija od one koja postoji pri danoj temperaturi ili tlaku. Tako, na primjer, postoji željezo s rešetkama tjelesno centriranih i plošno centriranih kocaka, nađen je kobalt s plošno centriranim i heksagonalnim rešetkama (sl. 4).

Postojanje istog metala (tvari) u više kristalnih oblika naziva se polimorfizam ili alotropija.

Različiti kristalni oblici iste tvari nazivaju se polimorfi ili alotropske modifikacije (tablica 1).

Alotropski oblici označeni su grčkim slovimaα , β , γ i tako dalje, koji se dodaju kao indeksi simbolu koji označava element. Alotropski oblik na najnižoj temperaturi, označen slovomα, sljedeći - β itd.

Fenomen polimorfizma temelji se na jedinstvenom zakonu o stabilnosti stanja s najmanjim utroškom energije. Zaliha slobodne energije ovisi o temperaturi. Stoga je u jednom temperaturnom području jedna modifikacija stabilnija, au drugom druga.

Temperatura na kojoj se odvija prijelaz iz jedne modifikacije u drugu naziva se temperatura polimorfne (alotropske) transformacije.

Mehanizam rasta kristala nove faze može biti normalna kristalizacija i martenzitni.

Normalni mehanizam rasta je nukleacija nove faze na granicama zrna, blokova, fragmenata pri niskim stupnjevima prehlađenja (Snα ↔ Sn β ).

Martenzitni mehanizam ostvaruje se pri niskim temperaturama i visokom stupnju prehlađenja, uz malu difuzijsku pokretljivost atoma njihovim pomakom (pomakom) duž određenih kristalografskih ravnina i pravaca. Nova faza je u obliku iglica i vrlo brzo raste (Coα ↔ Co β ).

Alotropsku transformaciju prati promjena svojstava, volumena i pojava unutarnjih naprezanja.

Slika 4. Jedinične ćelije kristalnih rešetki:

I - kubično usmjereno na tijelo (α-željezo),

II - kubično usmjereno lice (bakar),

III - šesterokutni zbijeni;

a i c su parametri rešetke.

Stol 1. Alotropske modifikacije metala.

Metal	Skupina	Izmjena	Kristalna ćelija
Kalcij	II-A	Ca α do 450 Caαβ 450-851	Kubični FCC
Galij	III-B	Gaα Gaβ	Rombični četverokutni
Talij	III-B	Tlα do 262 Tlβ 262-304	Heksagonalni zbijeni
Titanij	IV-A	Tiα do 882 Tiβ 882-1725	Heksagonalni zbijeni Kubično tijelo centrirano
Cirkonij	IV-A	Zrα do 862 Zrβ 862-1830	Heksagonalni zbijeni Kubično tijelo centrirano
Hafnij	IV-A	Hfα do 1610 Hfβ 1610-1952	Heksagonalni Kubično tijelo centrirano
Kositar	IV-B	Snα do 18 Snβ 18-232	Dijamant Tetragonalno tijelo u središtu
Volfram	PREKO	Wα do 650 Wβ 650-3400	Kubično tijelo centrirano Komplicirano (nedešifrirano)
Uran	PREKO	Uα do 660 Uβ 660-770

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE Državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja

"Južno-rusko državno sveučilište ekonomije i usluga" (GOU VPO "YURGUES")

ZNANOST O MATERIJALIMA

TEHNOLOGIJA KONSTRUKCIJSKIH MATERIJALA

Laboratorijska radionica

za studente specijalnosti 190601, 190603, 200503, 260704

redoviti i izvanredni oblici obrazovanja

MINES GOU VPO "YURGUES"

UDK 620.1(076.5) BBK 30.3ya73

Sastavio:

Kandidat tehničkih znanosti, izvanredni profesor Zavoda za primijenjenu mehaniku i dizajn strojeva

Yu.E. proklet

dr. sc., čl. Predavač na Zavodu za primijenjenu mehaniku i dizajn strojeva

S N. Baibara

Recenzenti:

dr. sc., profesor, prov. Katedra "Tehnički pogon vozila"

JUG. Sapronov

Kandidat tehničkih znanosti, profesor Katedre za tehnologiju kožnih proizvoda, normizaciju i certifikaciju

M341 Znanost o materijalima: Tehnologija konstrukcijskih materijala: Laboratorijska radionica / sastavio Yu.E. Chertov, S.N. Baybara. - Rudnici: GOU VPO "YURGUES", 2010. - 71 str.

Korištenje laboratorijske radionice omogućit će učvršćivanje gradiva predavanja, osiguranje samostalnog proučavanja pojedinih didaktičkih jedinica discipline, uspješno rješavanje kolokvija i samostalnih zadataka.

Dizajniran za studente specijalnosti 190601, 190603, 200503, 260704 redovitih i izvanrednih oblika obrazovanja.

UDK 620.1(076.5) BBK 30.3ya73

Način pristupa elektroničkom analogu tiskanog izdanja: http://www.libdb.sssu.ru


PREDGOVOR ................................................. ............. ..................................... ....
Laboratorijski rad broj 1. Proučavanje procesa kristalizacije

Laboratorijski rad broj 2. Proučavanje makro- i mikrostrukture
metali i legure ................................................. ................................................
Laboratorijski rad broj 3. Istraživanje dijagrama stanja
dvostruke legure ................................................. ................ ................................. ..........
Laboratorijski rad broj 4. Proučavanje faznih transformacija
prema dijagramu stanja željezo-cementit ......................................... ..... ......
Laboratorijski rad broj 5. Metode mjerenja tvrdoće metala......
Laboratorijski rad broj 6. Učinak toplinske obrade
na mehanička svojstva konstrukcionog čelika..................................................... .........
Laboratorijski rad broj 7. Oblikovanje praznina lijevanjem
u pješčane kalupe ................................................. ............................................
Laboratorijski rad broj 8. Učenje načina električne
zavarivanje metala ................................................. ................ ................................. .............
Laboratorijski rad broj 9. Učenje kako napraviti
plastični proizvodi ................................................. ............... ................................... .............
BIBLIOGRAFSKI POPIS................................................ .................. ..........

PREDGOVOR

Budući stručnjak - diplomant visokoškolske ustanove morat će raditi u proizvodnom okruženju koje se brzo mijenja. Već je ciklus obnove tehnologije u nekim industrijama kraći od razdoblja studiranja na institutu ili sveučilištu. Stoga je obuka nove vrste stručnjaka koji se mogu brzo prilagoditi novim uvjetima rada poduzeća jedan od glavnih zadataka sveučilišta.

Laboratorijska radionica, kao oblik izobrazbe, maksimalno doprinosi aktiviranju misaone aktivnosti učenika i razvoju njihovih vještina kreativne primjene stečenog znanja u praksi.

Predloženi laboratorijski rad omogućit će studentima da dublje proučavaju teorijske odredbe kolegija "Znanost o materijalima", steknu praktične vještine u proučavanju strukture i svojstava metalnih inženjerskih materijala, procjenjujući učinak različitih vrsta toplinske obrade na strukturu i svojstva od metala.

Izvođenje laboratorijskog rada u uvjetima naglog smanjenja opsega predavanja često se ne poklapa s redoslijedom izlaganja predavanja. Stoga svaki rad sadrži opće teorijske informacije koje će studentu olakšati samostalnu pripremu za rad, pridonijeti njegovoj svjesnoj provedbi i razumijevanju dobivenih rezultata.

Laboratorijska radionica pripremljena je u skladu sa zahtjevima Državnog obrazovnog standarda iz discipline „Znanost o materijalima. TKM" za studente inženjerskih specijalnosti visokoškolskih ustanova.

Laboratorijski rad br. 1 PROUČAVANJE PROCESA KRISTALIZACIJE METALA I LEGURA

Svrha rada: proučavanje procesa prijelaza metalnih materijala (metala i legura) iz tekućeg u čvrsto agregatno stanje, uzimajući u obzir utjecaj vanjskih čimbenika, kao i proučavanje strukture čeličnog ingota. .

1. Ukratko opišite metale, legure i procese njihove kristalizacije.

2. Upoznajte se s biološkim mikroskopom.

3. Za praćenje kristalizacije soli iz prezasićenih vodenih otopina.

4. Nacrtajte, promatrajući kristalizaciju kapi, najkarakterističnije zone i dajte objašnjenja. Veličina slike je krug od 50 mm.

5. Skicirajte uzdužni i poprečni presjek čeličnog poluga. Dajte objašnjenje prisutnosti triju zona u ingotu.

6. Pripremiti pisano izvješće o radu.

Opći podaci iz teorije

1. Kratak opis metala i legura

Metali i legure najvažniji su konstrukcijski materijali koji se široko koriste u inženjerstvu. Metali, osim sjaja i duktilnosti, imaju visoku toplinsku i električnu vodljivost.

Dobivanje kemijski čistih metala povezano je sa značajnim poteškoćama, a vrijednosti njihovih mehaničkih karakteristika nisu visoke. U tom smislu, metalne legure imaju široku primjenu u tehnologiji.

Legure su složene tvari koje uključuju nekoliko metala ili metale i nemetale. Metalne legure imaju gore navedena svojstva čistih metala.

Metalni materijali u čvrstom agregatnom stanju imaju kristalnu strukturu u kojoj su pozitivno nabijeni ioni raspoređeni u strogo definiranom redoslijedu, periodički se ponavljajući u tri dimenzije prostora. Budući da se legure obično dobivaju metalurškom tehnologijom, tekuće stanje prethodi čvrstom stanju. Prijelaz tvari iz tekućeg u čvrsto stanje naziva se

kristalizacija.

2. Kristalizacija metala i legura

Kristalizacija se odvija u uvjetima kada sustav prelazi u termodinamički stabilnije stanje s nižom slobodnom energijom. Slobodna energija F je onaj dio unutarnje energije sustava koji se može pretvoriti u rad. S porastom temperature, slobodna energija tekućeg i krutog stanja metala opada (vidi sl. 1.1).

Slobodna energija F

stanje


					stanje



T cr
					T mn

Temperatura,

Slika 1.1 - Promjena slobodne energije tekućeg i čvrstog stanja ovisno o temperaturi

Kada se postigne ravnotežna temperatura T S, slobodna energija tekućeg i krutog stanja je jednaka, pa se na toj temperaturi ni proces kristalizacije ni proces taljenja ne mogu odvijati do kraja.

Za odvijanje procesa kristalizacije potrebno je stvoriti uvjete u kojima će slobodna energija krute faze biti manja od slobodne energije tekuće faze. Kao što se može vidjeti iz grafikona prikazanog na slici 1.1, to je moguće samo uz određeno pretjerano hlađenje legure.

Stupanj hipotermije je razlika između ravnotežne (teorijske) i stvarne temperature kristalizacije

T TS Tcr .

Određeni stupanj pregrijavanja legure nužan je za odvijanje procesa taljenja.

T Tm TS .

Stupanj superhlađenja mjeri se u stupnjevima Celzijusa i ovisi o brzini hlađenja, prirodi i čistoći taline. Što je brzina hlađenja veća, to je veći stupanj pothlađivanja. Što je talina čišća, to je veća njena stabilnost i, posljedično, veći je stupanj prehlađenja.

Prisutnost neotopljenih čestica u talini ubrzava proces kristalizacije i pročišćava zrno. Istraživanje D.K. Černova, otkriveno je da kristalizacija počinje stvaranjem kristalnih jezgri (centra kristalizacije) i nastavlja se povećanjem njihova broja i veličine.

Broj centara kristalizacije (C.C.) i brzina njihovog rasta (S.R.) ovise o stupnju prehlađenja. S povećanjem stupnja superhlađenja, povećava se broj centara kristalizacije i povećava se brzina njihovog rasta; pri određenom stupnju hipotermije dolazi do maksimuma.

Međutim, metali i legure koji imaju malu tendenciju prehlađenja u tekućem stanju ne mogu se ohladiti na temperature na kojima bi broj centara kristalizacije i brzina rasta kristala dosegli maksimum. Stoga, za metale, krivulje "Ch.Ts." i "S.R." odlomiti već pri niskim stupnjevima prehlađenja (pune krivulje na slici 1.2).

S.R.

T ST

Stupanj hipotermije T, C

Slika 1.2 - Utjecaj stupnja prehlađenja na broj centara kristalizacije i brzinu rasta kristala

Za stupanj prehlađenja T, brzine stvaranja centara kristalizacije i njihov rast su male, stoga se proces kristalizacije odvija sporo, a zrna su velika (jer se formira nekoliko centara kristalizacije po jedinici volumena tekuće faze).

Za stupanj prehlađenja T značajno se povećala i brzina nukleacije centara kristalizacije i brzina njihovog rasta, pa će se proces kristalizacije odvijati mnogo brže nego na stupnju prehlađenja T, a budući da se time povećava broj centara kristalizacije po jedinici volumena, zrna su mala.

Tako je promjenom stupnja prehlađenja moguće dobiti kristalite (zrnca) raznih veličina. Mnoga svojstva legure ovise o veličini zrna. U praksi se usitnjavanje zrna u legurama postiže i modifikacijom, tj. uvođenje raspršenih čestica modifikatorskih tvari u talinu, koje postaju dodatni centri kristalizacije.

Proces kristalizacije metala i legura sličan je procesu kristalizacije soli iz vodenih otopina. U isto vrijeme, stvaranje kristala postaje moguće promatrati biološkim mikroskopom na sobnoj temperaturi dok voda isparava, što je zgodno i sigurno.

3. Struktura metalnog ingota

Kristali u procesu skrućivanja metala mogu imati različit oblik ovisno o brzini hlađenja, prirodi i količini nečistoća. Najčešće u procesu kristalizacije nastaju razgranati ili stablasti kristali koji se nazivaju dendriti. U početku se formiraju dugačke grane, takozvane osi prvog reda (glavne osi dendrita). Istodobno s izduživanjem osi prvog reda, iste grane drugog reda okomite na njih nastaju i rastu na njihovim rubovima. S druge strane, osi trećeg reda rađaju se na osi drugog reda, i tako dalje.

		– zona sitnih zrna;
		– zona sitnih zrna;
		– zona stubastih kristala;
		– zona jednakoosnih kristala;
		- skupljajuća ljuska;
		- mjehurići plina, šupljine,
		skupljanje lomljivost
		skupljanje lomljivost

Slika 1.3 - Shema strukture čeličnog ingota mirnog čelika

Kristalizacija tekućeg metala počinje na površini hladnijeg kalupa i prvo se događa u tankom sloju jako prehlađene tekućine uz površinu. To dovodi do stvaranja vrlo uske zone malih neorijentiranih zrna na površini ingota.

Iza zone 1, duboko u ingot, nalazi se druga zona - zona stupčastih kristala. Rast ovih kristala teče u smjeru odvođenja topline, a budući da svi kristali rastu istovremeno, nastaju stupasti (izduženi) kristali čiji rast traje sve dok postoji usmjereno odvođenje topline. U slučaju jakog pregrijavanja i brzog hlađenja, zona stupčastih kristalita može ispuniti cijeli volumen ingota.

Ova vrsta kristalizacije naziva se transkristalizacija. U unutarnjem dijelu ingota formira se zona 3 koja se sastoji od jednakoosnih različito orijentiranih dendritičkih kristala, većih zbog niske brzine hlađenja (zbog smanjenja T). Budući da tekući metal ima veći specifični volumen od čvrstog, tada se u onom dijelu ingota koji se posljednji skrutne formira praznina - šupljina skupljanja. Obično je okružen najkontaminiranijim metalom koji sadrži mikro- i makropore, mjehuriće plina i druge nedostatke. Kristalizacija zona ingota, kao i osi dendrita, ne događa se istovremeno, stoga metal ingota ima heterogenost u kemijskom sastavu - zonalnu i dendritsku segregaciju.

4. Oprema i uzorci

Za promatranje procesa kristalizacije soli koriste se biološki mikroskopi. Stalak mikroskopa je stabilna baza na koju se pričvršćuju ostali dijelovi mikroskopa: cijev, držač kondenzora, kupola s objektivima, okular. U pravilu, mikroskop je opremljen s nekoliko leća različitih povećanja, postavljenih na kupolu, što vam omogućuje pomicanje leća u radni položaj pomicanjem. Ispitivanje uzorka obično počinje s objektivom najmanjeg povećanja s najvećim vidnim poljem. Pojedinosti od interesa ispituju se pomoću leća s velikim povećanjem.

Shematski dijagram biološkog mikroskopa prikazan je na slici 1.4.

- ogledalo;

- predmetna tablica;

- predmetno staklo;

- kap otopine soli;

- leće;

- mikroskopska cijev;

- okular;

- oko promatrača.

Slika 1.4 - Shematski dijagram biološkog mikroskopa

Podešavanje mikroskopa provodi se na sljedeći način. Okretanjem stakla 2 prema izvoru svjetlosti postiže se najjače osvjetljenje u okularu 8. Zatim se predmetno staklo 4 s kapi 5 otopine soli postavi na stol 3 tako da se može promatrati rub kapi. Žarišna duljina se postavlja spuštanjem/podizanjem predmetnog stola 3 u odnosu na cijev 7, čime se postiže jasna slika ruba kapi u okularu 8.

5. Radni nalog

Nakon što su proučili teorijski dio i upoznali se sa zadatkom za rad, učenici počinju promatrati proces kristalizacije. Za to se izdaju biološki mikroskop i predmetno staklo s kapi prezasićene vodene otopine natrijevog klorida. Nakon podešavanja mikroskopa, stavite staklo na postolje mikroskopa i promatrajte početak procesa kristalizacije na rubu kapi. Kako voda isparava, kristali će također rasti u sljedećim zonama ispuštanja. Proces koji se proučava može se uvjetno podijeliti u tri razdoblja. Prvi je kristalizacija soli na rubu kapi, gdje je količina vode najmanja. U tom razdoblju nastaju mali kristali pravilnog oblika na rubu kapi, budući da superhlađenje uzrokuje stvaranje velikog broja centara kristalizacije. Tijekom drugog razdoblja stvaraju se veliki stupčasti kristali. Smjer njihovih osi normalan je na rubove kapi. U tom razdoblju postoji visoka stopa rasta kristala i ograničen broj centara kristalizacije. Tijekom trećeg perioda nastaju stabloliki (dendritični) kristali. U ovom slučaju, količina vode u kapljici je beznačajna i njeno isparavanje iz srednjeg dijela se odvija brzo.

Savezna državna proračunska obrazovna ustanova visokog obrazovanja

"Volga State University of Water Transport"

PODRUŽNICA PERM

E.A . Sazonova

ZNANOST O MATERIJALIMA

ZBORNIK PRAKTIČNIH I LABORATORIJSKIH RADOVA

26.02.06 "Upravljanje brodskom elektroopremom i automatizacijom"

23.02.01 "Organizacija transporta i upravljanje transportom" (po vrstama)

PERMSKE

2016

Uvod

Upute za izvođenje laboratorijskih i praktičnih radova iz nastavne discipline "Znanost o materijalima" namijenjene su učenicima srednjeg strukovnog obrazovanja u specijalnosti 26.02.06 "Upravljanje brodskom elektroopremom i automatizacijom"

Ovaj priručnik daje smjernice za izvođenje praktične i laboratorijske nastave na temama discipline, ukazuje na teme i sadržaj laboratorijske i vježbe, oblike kontrole na svakoj temi i preporučenu literaturu.

Kao rezultat svladavanja ove akademske discipline, student bi trebao biti sposoban:

˗ izvoditi mehanička ispitivanja uzoraka materijala;

˗ koristiti fizikalne i kemijske metode istraživanja metala;

˗ koristiti referentne tablice za određivanje svojstava materijala;

˗ odabrati materijale za provedbu stručnih aktivnosti.

Kao rezultat savladavanja ove akademske discipline, student treba znati:

˗ osnovna svojstva i klasifikacija materijala koji se koriste u profesionalnoj djelatnosti;

˗ naziv, oznaka, svojstva obrađenog materijala;

˗ pravila za korištenje maziva i rashladnih tekućina;

˗ osnovne informacije o metalima i legurama;

˗ osnovne informacije o nemetalnim, brtvama,

Brtveni i elektro materijali, čelik, njihova klasifikacija.

Laboratorijski i praktični rad omogućit će formiranje praktičnih radnih vještina, stručnih kompetencija. U strukturu studija akademske discipline "Znanost o materijalima" uključeni su nakon obrade tema: 1.1. "Osnovne informacije o metalima i legurama", 1.2 "Legure željezo-ugljik", 1.3 "Obojeni metali i legure".

Laboratorijske i vježbe sastavni su dio nastavne discipline i vrednuju se prema sljedećim kriterijima:

Ocjenom "5" student se ocjenjuje ako:

˗ predmet rada odgovara zadanom, student pokazuje sustavna i cjelovita znanja i vještine o ovoj problematici;

˗ rad je oblikovan u skladu s preporukama nastavnika;

˗ količina rada odgovara zadanom;

˗ rad je obavljen točno u vremenu koje je odredio nastavnik.

Ocjenom "4" student se ocjenjuje ako:

˗ tema rada odgovara zadanoj, učenik po tom pitanju pravi male netočnosti ili pogreške;

˗ rad je uokviren s netočnostima u dizajnu;

˗ količina rada odgovara navedenoj ili nešto manja;

˗ rad je predan u roku koji odredi nastavnik ili kasnije, ali ne duže od 1-2 dana.

Ocjenom "3" student se ocjenjuje ako:

˗ tema rada odgovara zadanoj, ali radu nedostaju bitni elementi u pogledu sadržaja rada ili je tema prikazana nelogično, glavni sadržaj problema nije jasno prikazan;

˗ rad je uokviren s greškama u dizajnu;

˗ količina posla znatno manja od navedene;

˗ rad je predan sa zakašnjenjem od 5-6 dana.

Ocjenom "2" student se ocjenjuje ako:

˗ glavna tema djela nije otkrivena;

˗ rad nije koncipiran u skladu sa zahtjevima nastavnika;

˗ količina posla ne odgovara zadanoj;

˗ rad je predan sa zakašnjenjem više od 7 dana.

Laboratorijski i praktični rad po svom sadržaju imaju određenu strukturu, koju predlažemo razmotriti: tijek rada dat je na početku svakog praktičnog i laboratorijskog rada; prilikom izvođenja praktičnog rada studenti rješavaju zadatak naznačen na kraju rada (točka „Zadatak za studente“); pri izvođenju laboratorijskog rada sastavlja se izvješće o njegovoj provedbi, sadržaj izvješća naznačen je na kraju laboratorijskog rada (stavak "Sadržaj izvješća").

Pri izvođenju laboratorijskih i vježbi studenti se pridržavaju određenih pravila, koja se razmatraju u nastavku: laboratorijske i vježbe izvode se tijekom nastave; dopušten je završni upis laboratorijskih i praktičnih radova kod kuće; dopušteno je korištenje dodatne literature pri izvođenju laboratorijskih i praktičnih radova; Prije izvođenja laboratorijskog i praktičnog rada potrebno je proučiti glavne teorijske odredbe o razmatranom pitanju.

Praktični rad br.1

"Fizička svojstva metala i metode za njihovo proučavanje"

Cilj : proučavati fizikalna svojstva metala, metode za njihovo određivanje.

Napredak:

Teorijski dio

Fizička svojstva uključuju: gustoću, talište (talište), toplinsku vodljivost, toplinsko širenje.

Gustoća - količina tvari sadržana u jedinici volumena. Ovo je jedna od najvažnijih karakteristika metala i legura. Prema gustoći, metali se dijele u sljedeće skupine:pluća (gustoća ne veća od 5 g/cm 3 ) - magnezij, aluminij, titan, itd.;težak - (gustoća od 5 do 10 g/cm 3 ) - željezo, nikal, bakar, cink, kositar itd. (ovo je najopsežnija skupina);vrlo teško (gustoća preko 10 g/cm 3 ) - molibden, volfram, zlato, olovo itd. Tablica 1 prikazuje vrijednosti gustoće metala.

stol 1

Gustoća metala

Talište je temperatura pri kojoj metal prelazi iz kristalnog (krutog) stanja u tekuće stanje uz apsorpciju topline.

Talište metala kreće se od −39°C (živa) do 3410°C (volfram). Talište većine metala (s izuzetkom lužina) je visoko, ali neki "normalni" metali, poput kositra i olova, mogu se rastopiti na konvencionalnom električnom ili plinskom štednjaku.

Ovisno o temperaturi taljenja, metal se dijeli u sljedeće skupine:topljiv (talište ne prelazi 600 o C) - cink, kositar, olovo, bizmut itd.;srednje talište (od 600 o Od do 1600 o C) - uključuju gotovo polovicu metala, uključujući magnezij, aluminij, željezo, nikal, bakar, zlato;vatrostalan (više od 1600 o C) - volfram, molibden, titan, krom, itd. Kada se aditivi uvode u metal, talište se u pravilu smanjuje.

tablica 2

Tališta i vrelišta metala

Toplinska vodljivost je sposobnost metala da provodi toplinu određenom brzinom kada se zagrijava.

Električna vodljivost - sposobnost metala da provodi električnu struju.

Toplinska ekspanzija - sposobnost metala da poveća svoj volumen kada se zagrijava.

Glatka površina metala reflektira veliki postotak svjetlosti – taj se fenomen naziva metalni sjaj. Međutim, u praškastom stanju većina metala gubi svoj sjaj; aluminij i magnezij, međutim, zadržavaju svoj sjaj u prahu. Aluminij, srebro i paladij najbolje reflektiraju svjetlost - ogledala se izrađuju od ovih metala. Rodij se ponekad koristi i za izradu ogledala, unatoč iznimno visokoj cijeni: zbog puno veće tvrdoće i kemijske otpornosti od srebra ili čak paladija, sloj rodija može biti mnogo tanji od srebra.

Metode istraživanja u znanosti o materijalima

Glavne metode istraživanja u znanosti o metalima i znanosti o materijalima su: lom, makrostruktura, mikrostruktura, elektronska mikroskopija, metode istraživanja rendgenskih zraka. Razmotrite njihove značajke detaljnije.

1. Lom je najlakši i najpristupačniji način procjene unutarnje strukture metala. Metoda procjene loma, unatoč prividnoj grubosti u ocjeni kakvoće materijala, prilično se široko koristi u raznim industrijama i znanstvenim istraživanjima. Procjena loma u mnogim slučajevima može karakterizirati kvalitetu materijala.

Prijelom može biti kristalan ili amorfan. Amorfni lom je tipičan za materijale koji nemaju kristalnu strukturu, kao što su staklo, smola, staklasta troska.

Metalne legure, uključujući čelik, lijevano željezo, aluminij, legure magnezija, cink i njegove legure daju granularni, kristalni lom.

Svaka strana kristalnog prijeloma je ravnina smicanja pojedinačnog zrna. Stoga nam prijelom pokazuje veličinu zrna metala. Proučavajući lom čelika, može se uočiti da veličina zrna može varirati u vrlo širokom rasponu: od nekoliko centimetara u lijevanom, sporo ohlađenom čeliku do tisućinki milimetra u ispravno kovanom i kaljenom čeliku. Ovisno o veličini zrna, lom može biti krupnozrnati i sitnozrnati. Tipično, sitnozrnati lom odgovara kvalitetnijoj metalnoj slitini.

Ako se razaranje ispitnog uzorka nastavi s prethodnom plastičnom deformacijom, zrna u plohi loma su deformirana, a lom više ne odražava unutarnju kristalnu strukturu metala; u ovom slučaju, prijelom se naziva fibrozni. Često u jednom uzorku, ovisno o razini njegove plastičnosti, mogu postojati vlaknasta i kristalna područja u prijelomu. Često se kvaliteta metala procjenjuje omjerom površine loma koju zauzimaju kristalna područja pod danim uvjetima ispitivanja.

Krhki kristalni lom može biti rezultat loma duž granica zrna ili duž kliznih ravnina koje prelaze zrna. U prvom slučaju, fraktura se naziva intergranularna, u drugom, transkristalna. Ponekad je, osobito kod vrlo sitnih zrna, teško odrediti prirodu loma. U ovom slučaju, prijelom se proučava pomoću povećala ili binokularnog mikroskopa.

U posljednje vrijeme razvija se grana znanosti o metalima za fraktografsko proučavanje loma na metalografskim i elektronskim mikroskopima. Istovremeno, pronalaze nove prednosti stare metode istraživanja u znanosti o metalima - studije loma, primjenjujući koncepte fraktalnih dimenzija na takve studije.

2. Makrostruktura - je sljedeća metoda za proučavanje metala. Makrostrukturno istraživanje sastoji se u proučavanju presječne ravnine proizvoda ili uzorka u uzdužnom, poprečnom ili bilo kojem drugom smjeru nakon jetkanja, bez upotrebe instrumenata za povećanje ili s povećalom. Prednost makrostrukturnih istraživanja je činjenica da je uz pomoć ove metode moguće neposredno proučavati strukturu cijelog odljevka ili ingota, otkivka, štancanja itd. Pomoću ove metode istraživanja mogu se otkriti unutarnji nedostaci metala: mjehurići, šupljine, pukotine, uključci troske, istražiti kristalnu strukturu odljevka, proučavati nehomogenost kristalizacije ingota i njegovu kemijsku nehomogenost (segregacija).

Uz pomoć sumpornih otisaka makropresjeka na fotografskom papiru po Baumanu utvrđuje se neravnomjerna raspodjela sumpora po presjeku ingota. Ova metoda istraživanja od velike je važnosti u proučavanju kovanih ili žigosanih proizvoda kako bi se odredio točan smjer vlakana u metalu.

3. Mikrostruktura - jedna od glavnih metoda u znanosti o metalu je proučavanje mikrostrukture metala na metalografskim i elektronskim mikroskopima.

Ova metoda omogućuje proučavanje mikrostrukture metalnih predmeta s velikim povećanjem: od 50 do 2000 puta na optičkom metalografskom mikroskopu i od 2 do 200 tisuća puta na elektronskom mikroskopu. Proučavanje mikrostrukture provodi se na poliranim rezovima. Na nejetkanim presjecima proučava se prisutnost nemetalnih uključaka, kao što su oksidi, sulfidi, mali uključci troske i drugi uključci koji se oštro razlikuju od prirode osnovnog metala.

Mikrostruktura metala i legura proučava se na jetkanim rezovima. Jetkanje se obično izvodi sa slabim kiselinama, alkalijama ili drugim otopinama, ovisno o prirodi rezanog metala. Djelovanje jetkanja je u tome što na različite načine otapa različite strukturne komponente, bojeći ih u različite tonove ili boje. Granice zrna koje se razlikuju od osnovne otopine obično imaju nagrizljivost koja se razlikuje od osnovne otopine i razlikuju se na tankom presjeku u obliku tamnih ili svijetlih linija.

Poliedri zrna vidljivi pod mikroskopom su presjeci zrna po površini tankog presjeka. Budući da je taj presjek slučajan i može prolaziti na različitim udaljenostima od središta svakog pojedinog zrna, razlika u veličinama poliedara ne odgovara stvarnim razlikama u veličinama zrna. Najbliža vrijednost stvarnoj veličini zrna su najveća zrna.

Pri jetkanju uzorka koji se sastoji od homogenih kristalnih zrna, na primjer, čisti metal, homogena čvrsta otopina itd., često se različito promatraju jetkane površine različitih zrna.

Ova pojava se objašnjava činjenicom da na površini mikropresjeka izbijaju zrnca različite kristalografske orijentacije, zbog čega je stupanj djelovanja kiseline na ta zrnca različit. Neka zrna izgledaju sjajna, druga su jako urezana i potamne. Ovo zatamnjenje povezano je s stvaranjem različitih uzoraka jetkanja koji reflektiraju svjetlosne zrake na različite načine. Kod legura pojedine strukturne komponente tvore mikroreljef na površini presjeka koji ima područja s različitim nagibima pojedinih površina.

Normalno smještena područja reflektiraju najveću količinu svjetlosti i najsvjetlija su. Ostala područja su tamnija. Često se kontrast na slici granularne strukture ne povezuje s površinskom strukturom zrna, već s reljefom na granicama zrna. Osim toga, različite nijanse strukturnih sastojaka mogu biti rezultat stvaranja filmova nastalih interakcijom sredstva za nagrizanje sa strukturnim sastojcima.

Uz pomoć metalografskih istraživanja moguće je izvršiti kvalitativnu identifikaciju strukturnih komponenti legura i kvantitativno proučavanje mikrostruktura metala i legura, prvo, usporedbom s poznatim proučavanim mikrokomponentama struktura i, drugo, pomoću specijalne metode kvantitativne metalografije.

Određuje se veličina zrna. Metoda vizualne procjene, koja se sastoji u činjenici da se razmatrana mikrostruktura približno procjenjuje točkama standardnih ljestvica prema GOST 5639-68, GOST 5640-68. Prema odgovarajućim tablicama za svaku točku određuje se površina jednog zrna i broj zrna po 1 mm. 2 i to u 1 mm 3 .

Metoda brojanja broja zrna po jedinici površine presjeka prema odgovarajućim formulama. Ako je S površina na kojoj se broji zrna n, a M povećanje mikroskopa, tada je prosječna veličina zrna u presjeku površine mikropresjeka

Određivanje faznog sastava. Fazni sastav legure često se procjenjuje okom ili usporedbom strukture sa standardnim ljestvicama.

Približna metoda za kvantitativno određivanje faznog sastava može se provesti metodom sekante uz izračun duljine segmenata koje zauzimaju različite strukturne komponente. Omjer ovih segmenata odgovara volumetrijskom sadržaju pojedinih komponenti.

Metoda točke A.A. Glagoljev. Ova se metoda provodi procjenom broja točaka (točaka sjecišta rešetke okulara mikroskopa) koje padaju na površinu svake strukturne komponente. Osim toga, metoda kvantitativne metalografije proizvodi: određivanje veličine međupovršine između faza i zrna; određivanje broja čestica u volumenu; određivanje orijentacije zrna u polikristalnim uzorcima.

4. Elektronska mikroskopija. Elektronski mikroskop je nedavno dobio veliku važnost u metalografskim istraživanjima. Bez sumnje, pred njim je velika budućnost. Ako razlučivost optičkog mikroskopa dosegne 0,00015 mm = 1500 A, tada razlučivost elektronskih mikroskopa doseže 5-10 A, tj. nekoliko stotina puta više od optičkog.

Elektronski mikroskop koristi se za proučavanje tankih filmova (replika) uzetih s površine tankog presjeka ili za izravno proučavanje tankih metalnih filmova dobivenih stanjivanjem masivnog uzorka.

Najveća potreba za korištenjem elektronske mikroskopije je proučavanje procesa povezanih s otpuštanjem viška faza, na primjer, razgradnjom prezasićenih krutih otopina tijekom toplinskog ili deformacijskog starenja.

5. Metode istraživanja X-zraka. Jedna od najvažnijih metoda u određivanju kristalografske strukture raznih metala i legura je analiza rendgenske difrakcije. Ova metoda istraživanja omogućuje određivanje prirode međusobnog rasporeda atoma u kristalnim tijelima, tj. riješiti problem koji nije dostupan ni konvencionalnom ni elektronskom mikroskopu.

Analiza difrakcije X-zraka temelji se na interakciji između X-zraka i atoma tijela koje se proučava, zbog čega potonji postaju, takoreći, novi izvori X-zraka, kao središta njihovog raspršenja.

Raspršivanje zraka na atomima može se usporediti s refleksijom tih zraka od atomskih ravnina kristala prema zakonima geometrijske optike.

X-zrake se reflektiraju ne samo od ravnina koje leže na površini, već i od dubokih. Reflektirana od nekoliko jednako orijentiranih ravnina, reflektirana zraka se pojačava. Svaka ravnina kristalne rešetke daje vlastiti snop reflektiranih valova. Primivši određenu izmjenu reflektiranih zraka X-zraka pod određenim kutovima, izračunava se međuplanarna udaljenost, kristalografski indeksi reflektirajućih ravnina i, u konačnici, oblik i veličina kristalne rešetke.

Praktični dio

Prijavite sadržaj.

1. U izvješću morate navesti naziv, svrhu rada.

2. Nabrojati glavna fizikalna svojstva metala (s definicijama).

3. Tablice 1-2 zabilježite u svoju bilježnicu. Izvedite zaključke iz tablica.

4. Ispunite tablicu: "Osnovne metode istraživanja u znanosti o materijalima."

rendgenski snimak

metode istraživanja

Praktični rad br.2

Tema: "Proučavanje dijagrama stanja"

Cilj: upoznavanje učenika s glavnim vrstama dijagrama stanja, njihovim glavnim linijama, točkama, njihovim značenjem.

Napredak:

1. Proučiti teorijski dio.

Teorijski dio

Dijagram stanja je grafički prikaz stanja bilo koje legure sustava koji se proučava ovisno o koncentraciji i temperaturi (vidi sliku 1)

Slika 1 Dijagram stanja

Dijagrami stanja prikazuju stabilna stanja, tj. navodi da, pod danim uvjetima, ima minimum slobodne energije, pa se stoga naziva i dijagram ravnoteže, budući da pokazuje koje ravnotežne faze postoje u danim uvjetima.

Konstrukcija dijagrama stanja najčešće se provodi toplinskom analizom. Rezultat je niz krivulja hlađenja u kojima se točke infleksije i granične temperature opažaju na temperaturama fazne transformacije.

Temperature koje odgovaraju faznim transformacijama nazivaju se kritične točke. Neke kritične točke imaju imena, na primjer, točke koje odgovaraju početku kristalizacije nazivaju se likvidus točkama, a kraju kristalizacije solidus točkama.

Prema krivuljama hlađenja izrađuje se dijagram sastava u koordinatama: duž apscisne osi - koncentracija komponenti, duž ordinatne osi - temperatura. Ljestvica koncentracija prikazuje sadržaj komponente B. Glavne linije su linije likvidusa (1) i linije solidusa (2), kao i linije koje odgovaraju faznim transformacijama u čvrstom stanju (3, 4).

Iz dijagrama stanja mogu se odrediti temperature fazne transformacije, promjena faznog sastava, približno, svojstva legure, vrste obrade koje se mogu primijeniti na leguri.

Ispod su različite vrste dijagrama stanja:

sl.2. Dijagram stanja legura s neograničenom topljivošću

komponente u čvrstom stanju (a); tipične krivulje hlađenja

legure (b)

Analiza dobivenog dijagrama (slika 2).

1. Broj komponenti: K = 2 (komponente A i B).

2. Broj faza: f = 2 (tekuća faza L, kristali čvrste otopine)

3. Glavne crte grafikona:

acb je linija likvidusa, iznad koje su legure u tekućem stanju;

adb je solidus linija, ispod ove linije legure su u čvrstom stanju.

sl.3. Dijagram stanja legura s odsutnošću topljivosti komponenata u čvrstom stanju (a) i krivulje hlađenja legura (b)

Analiza dijagrama stanja (slika 3).

1. Broj komponenti: K = 2(komponente A i B);

2. Broj faza: f = 3(kristali komponente A, kristali komponente B, tekuća faza).

3. Glavne crte grafikona:

solidus linija ecf, paralelna s koncentracijskom osi, teži osi komponenata, ali ih ne doseže;

Riža. Slika 4. Dijagram stanja legura s ograničenom topljivošću komponenata u čvrstom stanju (a) i krivulje hlađenja tipičnih legura (b)

Analiza dijagrama stanja (slika 4).

1. Broj komponenti: K = 2 (komponente A i B);

2. Broj faza: f = 3 (tekuća faza i kristali čvrstih otopina (otopina komponente B u komponenti A) i (otopina komponente A u komponenti B));

3. Glavne crte grafikona:

linija likvidusa acb, sastoji se od dvije grane koje konvergiraju u jednoj točki;

line solidus adcfb, sastoji se od tri dijela;

dm je linija granične koncentracije komponente B u komponenti A;

fn - linija maksimalne koncentracije komponente A u komponenti B.

Praktični dio

Zadatak za učenike:

1. Napiši naslov djela i njegovu svrhu.

2. Napiši što je dijagram stanja.

Odgovori na pitanja:

1. Kako se gradi dijagram stanja?

2. Što se može odrediti iz dijagrama stanja?

3. Kako se zovu glavne točke dijagrama?

4. Što je označeno na dijagramu duž x-osi? Osi ordinata?

5. Kako se zovu glavne linije dijagrama?

Dodjela po opcijama:

Učenici odgovaraju na ista pitanja, različite su slike na koje treba odgovoriti. Opcija 1 daje odgovore prema slici 2, opcija 2 daje odgovore prema slici 3, opcija 3 daje odgovore prema slici 4. Slika mora biti fiksirana u bilježnicu.

1. Kako se zove dijagram?

2. Navedite koliko komponenti sudjeluje u nastanku legure?

3. Koja slova označavaju glavne linije dijagrama?

Praktični rad br.3

Tema: "Proučavanje lijevanog željeza"

Cilj: upoznavanje učenika s oznakom i opsegom lijevanog željeza; formiranje sposobnosti dešifriranja vrsta lijevanog željeza.

Napredak:

Teorijski dio

Lijevano željezo razlikuje se od čelika: u sastavu - veći sadržaj ugljika i nečistoća; u smislu tehnoloških svojstava - veća svojstva lijevanja, niska sposobnost plastične deformacije, gotovo se nikad ne koristi u zavarenim konstrukcijama.

Ovisno o stanju ugljika u lijevanom željezu razlikuju se: bijeli lijev - ugljik u vezanom stanju u obliku cementita, u prijelomu ima bijelu boju i metalni sjaj; sivi lijev - sav ili većina ugljika je u slobodnom stanju u obliku grafita, a najviše 0,8% ugljika u vezanom stanju. Zbog velike količine grafita lom mu je siv; pola - dio ugljika je u slobodnom stanju u obliku grafita, ali najmanje 2% ugljika je u obliku cementita. Malo se koristi u tehnici.

Ovisno o obliku grafita i uvjetima njegovog nastanka, razlikuju se sljedeće skupine lijevanog željeza: siva - s lamelarnim grafitom; visoke čvrstoće - s nodularnim grafitom; kovak - s ljuspičastim grafitom.

Grafitne inkluzije mogu se smatrati odgovarajućim oblikom šupljina u strukturi lijevanog željeza. U blizini takvih defekata tijekom opterećenja koncentriraju se naponi čija je vrijednost to veća što je defekt oštriji. Iz toga slijedi da lamelarni grafitni uključci maksimalno oslabljuju metal. Povoljniji je pahuljasti oblik, a optimalan sferni oblik grafita. Plastičnost ovisi o obliku na isti način. Prisutnost grafita najoštrije smanjuje otpor pri teškim metodama opterećenja: udar; praznina. Otpor na kompresiju je malo smanjen.

Sivi lijevi

Sivi lijev ima široku primjenu u strojogradnji, jer se lako obrađuje i ima dobra svojstva. Ovisno o čvrstoći, sivi lijev je podijeljen u 10 razreda (GOST 1412).

Sivi lijevi niske vlačne čvrstoće imaju prilično visoku tlačnu čvrstoću. Struktura metalne baze ovisi o količini ugljika i silicija.

S obzirom na nisku otpornost odljevaka od sivog željeza na vlačna i udarna opterećenja, ovaj materijal treba koristiti za dijelove koji su izloženi tlačnim ili savijajućim opterećenjima. U industriji alatnih strojeva to su osnovni, dijelovi tijela, nosači, zupčanici, vodilice; u automobilskoj industriji - blokovi cilindra, klipni prstenovi, bregaste osovine, diskovi kvačila. Odljevci od sivog lijeva koriste se iu elektrotehnici, za proizvodnju robe široke potrošnje.

Označavanje sivog lijeva: označava se indeksom SC (sivi lijev) i brojem koji pokazuje vrijednost vlačne čvrstoće pomnoženu s 10 -1 .

Na primjer: SCH 10 - sivi lijev, vlačna čvrstoća 100 MPa.

kovan lijev

Dobra svojstva lijevanja su osigurana ako tijekom kristalizacije i hlađenja odljevaka u kalupu ne dolazi do grafitizacije. Kako bi se spriječila grafitizacija, lijevano željezo mora imati smanjeni sadržaj ugljika i silicija.

Postoji 7 razreda nodularnog željeza: tri s feritnom (KCh 30 - 6) i četiri s perlitnom (KCh 65 - 3) bazom (GOST 1215).

U pogledu mehaničkih i tehnoloških svojstava temperirani lijev zauzima srednje mjesto između sivog lijeva i čelika. Nedostatak nodularnog lijeva u odnosu na nodularni lijev je ograničenje debljine stijenke za lijevanje i potreba za žarenjem.

Odljevci od nodularnog lijeva koriste se za dijelove koji rade pod udarnim i vibracijskim opterećenjima.

Feritno lijevano željezo koristi se za izradu kućišta mjenjača, glavčina, kuka, nosača, stezaljki, spojnica, prirubnica.

Perlitno lijevano željezo, koje karakterizira visoka čvrstoća i dovoljna duktilnost, koristi se za izradu vilica kardanskih vratila, karika i valjaka transportnih lanaca i kočionih papuča.

Označavanje temperanog željeza: označeno indeksom CCH (duktilno željezo) i brojevima. Prvi broj odgovara vlačnoj čvrstoći pomnoženoj s 10 -1 , drugi broj je relativno izduženje.

Na primjer: KCh 30-6 - kovan lijev, vlačna čvrstoća 300 MPa, relativno istezanje 6%.

Nodularni lijev

Ova lijevana željeza dobivaju se od sivih, kao rezultat modifikacije magnezijem ili cerijem. U usporedbi sa sivim lijevima, mehanička svojstva su poboljšana, to je zbog odsustva neravnomjerne raspodjele naprezanja zbog nodularnog oblika grafita.

Ova lijevana željeza imaju visoku fluidnost, linearno skupljanje je oko 1%. Lijevačka naprezanja u odljevcima su nešto veća nego kod sivog lijeva. Zbog visokog modula elastičnosti, obradivost je prilično visoka. Imaju zadovoljavajuću zavarljivost.

Od lijevanog željeza visoke čvrstoće izrađuju se odljevci tankih stijenki (klipni prstenovi), kovački čekići, kreveti i okviri preša i valjaonica, kalupi, držači alata i prednje ploče.

Odljevci koljenastih vratila težine do 2..3 tone, umjesto kovanih čeličnih osovina, imaju veću cikličku viskoznost, neosjetljivi su na vanjske koncentratore naprezanja, imaju bolja svojstva protiv trenja i znatno su jeftiniji.

Oznaka nodularnog lijeva: označena HF indeksom (nodularno željezo) i brojem koji pokazuje vrijednost vlačne čvrstoće pomnoženu s 10 -1 .

Na primjer: VCh 50 - lijevano željezo visoke čvrstoće s vlačnom čvrstoćom od 500 MPa.

Praktični dio

Zadatak za učenike:

1. Napiši naziv djela, njegovu namjenu.

2. Opišite proizvodnju sirovog željeza.

3. Ispunite tablicu:

3.Visoka čvrstoća

lijevano željezo

Praktični rad br.4

Tema: "Proučavanje ugljičnih i legiranih konstrukcijskih čelika"

Cilj:

Napredak:

1. Upoznati se s teoretskim dijelom.

2. Izvršiti zadatke praktičnog dijela.

Teorijski dio

Čelik je legura željeza i ugljika, u kojoj se ugljik nalazi u količini od 0 -2,14%. Čelici su najčešći materijali. Imaju dobra tehnološka svojstva. Proizvodi se dobivaju kao rezultat obrade pritiskom i rezanjem.

Kvaliteta ovisno o sadržaju štetnih nečistoća: čelik sa sumporom i fosforom dijeli se na čelik:

˗ Obične kvalitete, do 0,06% sumpora i do 0,07% fosfora.

˗ Visoka kvaliteta - do 0,035% sumpora i fosfora svaki zasebno.

˗ Visoka kvaliteta - do 0,025% sumpora i fosfora.

˗ Ekstra visoka kvaliteta, do 0,025% fosfora i do 0,015% sumpora.

Dezoksidacija je proces odstranjivanja kisika iz čelika, tj. prema stupnju njegove dezoksidacije razlikuju se: mirni čelici, tj. potpuno dezoksidirani; takvi su čelici označeni slovima "sp" na kraju marke (ponekad su slova izostavljena); kipući čelik - blago deoksidiran; označeni su slovima "kp"; polumirni čelici, koji zauzimaju srednji položaj između dva prethodna; označena slovima "ps".

Čelik obične kvalitete također se dijeli prema isporukama u 3 skupine: čelik skupine A isporučuje se potrošačima prema mehaničkim svojstvima (takav čelik može imati visok sadržaj sumpora ili fosfora); grupa čelika B - po kemijskom sastavu; čelik grupe B - sa zajamčenim mehaničkim svojstvima i kemijskim sastavom.

Konstrukcijski čelici namijenjeni su za izradu konstrukcija, dijelova strojeva i uređaja.

Tako je u Rusiji i zemljama ZND-a (Ukrajina, Kazahstan, Bjelorusija itd.) usvojen alfanumerički sustav za označavanje klasa čelika i legura, razvijen ranije u SSSR-u, gdje su, prema GOST-u, nazivi elemenata i načini taljenja čelika uvjetno se označavaju slovima, a sadržaj označava brojevima.elementi. Do sada međunarodne organizacije za standardizaciju nisu razvile jedinstveni sustav označavanja čelika.

Označavanje konstrukcijskog ugljičnog čelika

obične kvalitete

˗ Označava se prema GOST 380-94 slovima "St" i uvjetnim brojem marke (od 0 do 6) ovisno o kemijskom sastavu i mehaničkim svojstvima.

˗ Što je veći sadržaj ugljika i svojstva čvrstoće čelika, to je veći njegov broj.

˗ Slovo "G" nakon broja razreda označava povećani sadržaj mangana u čeliku.

˗ Grupa čelika je navedena ispred razreda, a grupa "A" u oznaci razreda čelika se ne stavlja.

˗ Za označavanje kategorije čelika, broj se dodaje oznaci razreda na kraju odgovarajuće kategorije, prva kategorija obično nije naznačena.

Na primjer:

˗ St1kp2 - ugljični čelik uobičajene kvalitete, ključanje, razred br. 1, druga kategorija, isporučen potrošačima u smislu mehaničkih svojstava (skupina A);

˗ VSt5G - ugljični čelik uobičajene kvalitete s visokim udjelom mangana, smiren, stupanj br. 5, prva kategorija s zajamčenim mehaničkim svojstvima i kemijskim sastavom (skupina B);

˗ VSt0 - ugljični čelik obične kvalitete, razred broj 0, grupa B, prva kategorija (čelici razreda St0 i Bst0 ne dijele se prema stupnju deoksidacije).

Označavanje kvalitetnih konstrukcijskih ugljičnih čelika

˗ U skladu s GOST 1050-88, ovi su čelici označeni dvoznamenkastim brojevima koji pokazuju prosječni sadržaj ugljika u stotinkama postotka: 05; 08; deset ; 25; 40, 45 itd.

˗ Za mirne čelike, slova se ne dodaju na kraju naziva.

Na primjer, 08kp, 10ps, 15, 18kp, 20 itd.

˗ Slovo G u marki čelika označava visok sadržaj mangana.

Na primjer: 14G, 18G itd.

˗ Najčešća grupa za izradu strojnih dijelova (vratila, osovine, čahure, zupčanici itd.)

Na primjer:

˗ 10 - konstrukcijski čelik kvalitete ugljika, s udjelom ugljika od oko 0,1%, mirni

˗ 45 - konstrukcijski čelik kvalitete ugljika, s udjelom ugljika od oko 0,45%, mirni

˗ 18 kp - konstrukcijski čelik kvalitete ugljika s udjelom ugljika od oko 0,18%, vrelište

˗ 14G - visokokvalitetni konstrukcijski ugljični čelik s udjelom ugljika od oko 0,14%, miran, s visokim udjelom mangana.

Označavanje legiranih konstrukcijskih čelika

˗ U skladu s GOST 4543-71, nazivi takvih čelika sastoje se od brojeva i slova.

˗ Prve znamenke razreda označavaju prosječni sadržaj ugljika u čeliku u stotinkama postotka.

˗ Slova označavaju glavne legirajuće elemente uključene u čelik.

˗ Brojevi iza svakog slova označavaju približan postotak odgovarajućeg elementa, zaokružen na cijeli broj, s udjelom legirajućih elemenata do 1,5%, broj iza odgovarajućeg slova nije naznačen.

˗ Slovo A na kraju razreda označava da je čelik visoke kvalitete (sa smanjenim udjelom sumpora i fosfora)

˗ N - nikal, X - krom, K - kobalt, M - molibden, V - volfram, T - titan, D - bakar, G - mangan, S - silicij.

Na primjer:

˗ 12X2H4A - konstrukcijski legirani čelik, visoke kvalitete, s udjelom ugljika od oko 0,12%, kroma oko 2%, nikla oko 4%

˗ 40KhN - konstrukcijski legirani čelik, s udjelom ugljika od oko 0,4%, kroma i nikla do 1,5%

Označavanje ostalih skupina konstrukcijskih čelika

Čelici za opruge.

˗ Glavna karakteristika ovih čelika je da sadržaj ugljika u njima treba biti oko 0,8% (u ovom slučaju, kod čelika se pojavljuju elastična svojstva)

˗ Opruge i opruge izrađene su od ugljičnih (65,70,75,80) i legiranih (65S2, 50KhGS, 60S2KhFA, 55KhGR) konstrukcijskih čelika

˗ Ovi čelici su legirani elementima koji povećavaju granicu elastičnosti - silicij, mangan, krom, volfram, vanadij, bor

Na primjer: 60S2 - konstrukcijski ugljični opružni čelik s udjelom ugljika od oko 0,65%, silicija oko 2%.

Čelici za kuglične ležajeve

˗ GOST 801-78 označen je slovima "ŠH", nakon čega je sadržaj kroma označen u desetinkama postotka.

˗ Za čelike podvrgnute elektropretopljenom troskom, slovo Š također se dodaje na kraju naziva kroz crticu.

Na primjer: ŠH15, ŠH20SG, ŠH4-Š.

˗ Koriste se za izradu dijelova za ležajeve, također se koriste za izradu dijelova koji rade pod velikim opterećenjem.

Na primjer: ŠH15 - konstrukcijski čelik za kuglične ležajeve s udjelom ugljika od 1%, kroma 1,5%

Automatski čelici

˗ GOST 1414-75 počinju slovom A (automatski).

˗ Ako je čelik legiran olovom, tada njegov naziv počinje slovima AC.

˗ Kako bi se odrazio sadržaj drugih elemenata u čelicima, koriste se ista pravila kao i za legirane konstrukcijske čelike. Na primjer: A20, A40G, AS14, AS38HGM

Na primjer: AC40 - automatski konstrukcijski čelik, s udjelom ugljika od 0,4%, olova 0,15-0,3% (nije naznačeno u marki)

Praktični dio

Zadatak za učenike:

2. Napišite glavne značajke označavanja svih skupina konstrukcijskih čelika (obične kvalitete, kvalitetni čelici, legirani konstrukcijski čelici, čelici za opruge, čelici za kuglične ležaje, čelici za slobodno rezanje), s primjerima.

Dodjela po opcijama:

Dešifrirajte razrede čelika i zapišite opseg pojedinog razreda (tj. za što je namijenjen).

Praktični rad br.5

Tema: "Proučavanje ugljičnih i legiranih alatnih čelika"

Cilj: upoznavanje studenata s označavanjem i opsegom konstrukcijskih čelika; formiranje sposobnosti dešifriranja oznaka konstrukcijskih čelika.

Napredak:

1. Upoznati se s teoretskim dijelom.

2. Izvršiti zadatak praktičnog dijela.

Teorijski dio

Čelik je legura željeza i ugljika, u kojoj se ugljik nalazi u količini od 0-2,14%.

Čelici su najčešći materijali. Imaju dobra tehnološka svojstva. Proizvodi se dobivaju kao rezultat obrade pritiskom i rezanjem.

Prednost je mogućnost dobivanja željenog skupa svojstava promjenom sastava i vrste obrade.

Ovisno o namjeni čelici se dijele u 3 skupine: konstrukcijski, alatni i namjenski.

Kvaliteta ovisno o sadržaju štetnih primjesa: sumporni i fosforni čelik dijeli se na: čelik obične kakvoće, sa sadržajem do 0,06% sumpora i do 0,07% fosfora; kvaliteta - do 0,035% sumpora i fosfora svaki zasebno; visoka kvaliteta - do 0,025% sumpora i fosfora; posebno kvalitetne, do 0,025% fosfora i do 0,015% sumpora.

Alatni čelici namijenjeni su za izradu raznih alata, kako za ručnu tako i za mehaničku obradu.

Prisutnost širokog spektra proizvedenih čelika i legura proizvedenih u različitim zemljama zahtijeva njihovu identifikaciju, ali do sada ne postoji jedinstveni sustav označavanja čelika i legura, što stvara određene poteškoće u trgovini metalima.

Označavanje ugljičnih alatnih čelika

˗ Ovi čelici prema GOST 1435-90 dijele se na visokokvalitetne i visokokvalitetne.

˗ Visokokvalitetni čelici označeni su slovom U (ugljik) i brojem koji označava prosječni sadržaj ugljika u čeliku, u desetinkama postotka.

Na primjer: U7, U8, U9, U10. U7 - ugljični alatni čelik s udjelom ugljika od oko 0,7%

˗ Uz oznake visokokvalitetnih čelika (U8A, U12A itd.) dodaje se slovo A. Osim toga, u oznakama visokokvalitetnih i visokokvalitetnih ugljičnih alatnih čelika može biti prisutno slovo G, što ukazuje na povećani sadržaj mangana u čeliku.

Na primjer: U8G, U8GA. U8A - ugljični alatni čelik s udjelom ugljika od oko 0,8%, visoke kvalitete.

˗ Izrađuju alate za ručni rad (dlijeto, bušilica, piskač i sl.), mehanički rad pri malim brzinama (svrdla).

Označavanje legiranih alatnih čelika

˗ Pravila za označavanje legiranih alatnih čelika prema GOST 5950-73 u osnovi su ista kao i za konstrukcijske legirane čelike.

Razlika je samo u brojkama koje označavaju maseni udio ugljika u čeliku.

˗ Postotak ugljika naveden je i na početku naziva čelika i to u desetinkama postotka, a ne u stotinkama kao kod konstrukcijskih legiranih čelika.

˗ Ako je sadržaj ugljika u alatnom legiranom čeliku oko 1,0%, tada odgovarajuća brojka na početku naziva obično nije navedena.

Evo primjera: čelik 4Kh2V5MF, KhVG, KhVCh.

˗ 9Kh5VF - legirani alatni čelik, s udjelom ugljika od oko 0,9%, kroma oko 5%, vanadija i volframa do 1%

Označavanje visokolegiranih (brzih)

alatni čelici

˗ Označen slovom "P", brojka iza njega označava postotak volframa u njemu: Za razliku od legiranih čelika, postotak kroma nije naveden u nazivima brzoreznih čelika, jer ima ga oko 4% u svim čelicima, te ugljik (proporcionalan je sadržaju vanadija).

˗ Slovo F, koje označava prisutnost vanadija, označava se samo ako je sadržaj vanadija veći od 2,5%.

Na primjer: R6M5, R18, R6 M5F3.

˗ Obično se ovi čelici koriste za izradu alata visokih performansi: svrdla, glodala itd. (kako bi se smanjio trošak samo radnog dijela)

Na primjer: R6M5K2 - brzorezni čelik, s udjelom ugljika od oko 1%, oko 6% volframa, oko 4% kroma, do 2,5% vanadija, oko 5% molibdena, oko 2% kobalta.

Praktični dio

Zadatak za učenike:

1. Napiši naziv djela, njegovu namjenu.

2. Napišite osnovne principe označavanja svih skupina alatnih čelika (ugljični, legirani, visokolegirani)

Dodjela po opcijama:

1. Dešifrirajte klase čelika i zapišite opseg pojedine klase (odnosno za što je namijenjen).

Praktični rad br.6

Tema: "Proučavanje legura na bazi bakra: mjed, bronca"

Cilj: upoznavanje učenika s označavanjem i opsegom obojenih metala - bakra i legura na njegovoj osnovi: mjedi i bronce; formiranje sposobnosti dešifriranja oznaka mjedi i bronce.

Preporuke za studente:

Napredak:

1. Upoznati se s teoretskim dijelom.

2. Izvršiti zadatak praktičnog dijela.

Teorijski dio

Mjed

Mesing može sadržavati do 45% cinka. Povećanje sadržaja cinka na 45% dovodi do povećanja vlačne čvrstoće do 450 MPa. Maksimalna duktilnost se javlja pri sadržaju cinka od oko 37%.

Prema načinu izrade proizvoda razlikujemo kovani mjed i mjed za lijevanje.

Kovani mjed označava se slovom L, nakon čega slijedi broj koji pokazuje postotak bakra, npr. mjed L62 sadrži 62% bakra i 38% cinka. Ako osim bakra i cinka postoje i drugi elementi, tada se stavljaju njihova početna slova (O - kositar, C - olovo, F - željezo, F - fosfor, Mts - mangan, A - aluminij, C - cink).

Broj ovih elemenata označen je odgovarajućim brojevima iza broja koji pokazuje sadržaj bakra, na primjer, legura LAZH60-1-1 sadrži 60% bakra, 1% aluminija, 1% željeza i 38% cinka.

Mesing ima dobru otpornost na koroziju, koja se može dodatno poboljšati dodavanjem kositra. Mjed LO70 -1 otporan je na koroziju u morskoj vodi i naziva se „morski mesing“. Dodatak nikla i željeza povećava mehaničku čvrstoću do 550 MPa.

Lijevani mjed također je označen slovom L. Nakon oznake slova glavnog legirajućeg elementa (cinka) i svakog sljedećeg, stavlja se broj koji označava njegov prosječni sadržaj u leguri. Na primjer, mesing LTS23A6Zh3Mts2 sadrži 23% cinka, 6% aluminija, 3% željeza, 2% mangana. Najbolju fluidnost ima marka mesinga LTS16K4. Ljevačke mjedi uključuju mjedi tipa LS, LK, LA, LAZh, LAZhMts. Mjed za ljevaonice nije sklona segregaciji, ima koncentrirano skupljanje, odljevci se dobivaju s velikom gustoćom.

Mesing je dobar materijal za strukture koje rade na niskim temperaturama.

Bronce

Legure bakra s drugim elementima osim cinka nazivaju se bronce. Bronce se dijele na deformabilne i lijevane.

Kod označavanja kovane bronce na prvo mjesto stavljaju se slova Br, a zatim slova koja označavaju koji elementi, osim bakra, ulaze u sastav legure. Nakon slova slijede brojke koje označavaju sadržaj komponenata u leguri. Na primjer, marka BrOF10-1 znači da bronca sadrži 10% kositra, 1% fosfora, a ostatak je bakar.

Označavanje ljevaoničke bronce također počinje slovima Br, zatim se označavaju slova legirajućih elemenata i stavlja se broj koji označava njegov prosječni sadržaj u leguri. Na primjer, bronca BrO3Ts12S5 sadrži 3% kositra, 12% cinka, 5% olova, ostatak je bakar.

Kositrene bronce Kada se bakar stopi s kositrom, nastaju čvrste otopine. Ove legure su vrlo sklone segregaciji zbog velikog temperaturnog raspona kristalizacije. Zbog segregacije, legure s udjelom kositra većim od 5% povoljne su za dijelove kao što su klizni ležajevi: meka faza osigurava dobro uhodavanje, tvrde čestice stvaraju otpornost na trošenje. Stoga su kositrene bronce dobri materijali protiv trenja.

Kositrene bronce imaju nisko volumetrijsko skupljanje (oko 0,8%), stoga se koriste u umjetničkom lijevanju. Prisutnost fosfora osigurava dobru fluidnost. Kositrene bronce dijelimo na kovane i lijevane bronce.

U deformabilnim broncama sadržaj kositra ne smije biti veći od 6%, kako bi se osigurala potrebna plastičnost, BrOF6,5-0,15. Ovisno o sastavu, kovane bronce karakteriziraju visoka mehanička, antikorozivna, antifrikcijska i elastična svojstva, a koriste se u raznim industrijama. Od ovih legura izrađuju se šipke, cijevi, trake, žice.

Praktični dio

Zadatak za učenike:

1. Zapiši naslov i svrhu rada.

2. Ispunite tablicu:

Ime

legura, njegova

definicija

Glavni

Svojstva

legura

Primjer

oznake

Dešifriranje

marke

Regija

aplikacije

Praktičan rad broj 7

Tema: "Proučavanje aluminijskih legura"

Cilj: upoznavanje učenika s označavanjem i opsegom obojenih metala - aluminija i legura na njegovoj osnovi; proučavanje značajki uporabe aluminijskih legura ovisno o njihovom sastavu.

Preporuke za studente: Prije nego što prijeđete na praktični dio zadatka, pažljivo pročitajte teorijske odredbe, kao i predavanja u svojoj radnoj bilježnici na ovu temu.

Napredak:

1. Upoznati se s teoretskim dijelom.

2. Izvršiti zadatak praktičnog dijela.

Teorijski dio

Princip označavanja aluminijskih legura. Na početku je naznačena vrsta legure: D - legure duraluminijskog tipa; A - tehnički aluminij; AK - kovne aluminijske legure; B - legure visoke čvrstoće; AL - legure za lijevanje.

Zatim je naznačen uvjetni broj legure. Nakon uvjetnog broja slijedi oznaka koja karakterizira stanje legure: M - mekana (žarena); T - toplinski obrađeno (kaljenje plus starenje); H - hladno obrađeno; P - poluotvrdnuto.

Prema tehnološkim svojstvima legure se dijele u tri skupine: gnječene legure, neočvrsnute toplinskom obradom; kovane legure očvrsnute toplinskom obradom; legure za lijevanje. Sinterirane legure aluminija (SAS) i sinterirane legure aluminija u prahu (SAP) proizvode se metodama metalurgije praha.

Lijevane legure koje nisu očvrsnute toplinskom obradom.

Čvrstoća aluminija može se povećati legiranjem. U legure koje nisu očvrsnute toplinskom obradom uvodi se mangan ili magnezij. Atomi ovih elemenata značajno povećavaju njegovu snagu, smanjujući plastičnost. Legure su označene: s manganom - AMts, s magnezijem - AMg; nakon oznake elementa naveden je njegov sadržaj (AMg3).

Magnezij djeluje samo kao učvršćivač, mangan ojačava i povećava otpornost na koroziju. Čvrstoća legura se povećava samo kao rezultat deformacije u hladnom stanju. Što je veći stupanj deformacije, to je veći porast čvrstoće i pad duktilnosti. Ovisno o stupnju otvrdnuća, razlikuju se tvrdo obrađene i poluočvrsnute legure (AMg3P).

Ove se legure koriste za izradu raznih zavarenih spremnika za gorivo, dušične i druge kiseline, nisko i srednje opterećenih konstrukcija. Deformabilne legure kaljene toplinskom obradom.

Takve legure uključuju duraluminije (kompleksne legure sustava aluminij - bakar - magnezij ili aluminij - bakar - magnezij - cink). Imaju smanjenu otpornost na koroziju, za povećanje koje se uvodi mangan. Duraluminij se obično kali na temperaturi od 500 oko C i prirodno starenje, kojemu prethodi razdoblje inkubacije od dva do tri sata. Maksimalna čvrstoća se postiže nakon 4,5 dana. Duraluminij se široko koristi u zrakoplovnoj industriji, automobilskoj industriji i građevinarstvu.

Legure starenja visoke čvrstoće su legure koje uz bakar i magnezij sadrže i cink. Legure V95, V96 imaju vlačnu čvrstoću oko 650 MPa. Glavni potrošač je zrakoplovna industrija (koža, stringeri, spars).

Kovanje aluminijskih legura AK, AK8 koriste se za izradu otkivaka. Otkovci se proizvode na temperaturi od 380-450 oko C, podvrgnut kaljenju od temperature 500-560 oko C i starenje na 150-165 oko C unutar 6 sati.

Nikal, željezo, titan dodatno se uvode u sastav aluminijskih legura, što povećava temperaturu rekristalizacije i toplinsku otpornost do 300 oko IZ.

Izrađuju se klipovi, lopatice i diskovi aksijalnih kompresora, turbomlaznih motora.

Lijevane legure

Lijevane legure uključuju legure sustava aluminij-silicij (silumini) koje sadrže 10-13% silicija. Dodatak magnezijevim i bakrenim siluminima doprinosi učinku otvrdnjavanja lijevanih legura tijekom starenja. Titan i cirkonij melju zrno. Mangan poboljšava svojstva protiv korozije. Nikal i željezo povećavaju otpornost na toplinu.

Lijevane legure označavaju se od AL2 do AL20. Silumini se naširoko koriste za izradu lijevanih dijelova za uređaje i druge srednje i lako opterećene dijelove, uključujući odljevke tankih stijenki složenog oblika.

Praktični dio

Zadatak za učenike:

1. Zapiši naslov i svrhu rada.

2. Ispunite tablicu:

Ime

legura, njegova

definicija

Glavni

Svojstva

legura

Primjer

oznake

Dešifriranje

marke

Regija

aplikacije

Laboratorija #1

Tema: "Mehanička svojstva metala i metode za njihovo proučavanje (tvrdoća)"

Cilj:

Napredak:

1. Upoznati se s teorijskim odredbama.

2. Izvršite zadatak nastavnika.

3. Izraditi izvješće u skladu sa zadatkom.

Teorijski dio

Tvrdoća je sposobnost materijala da se odupre prodiranju drugog tijela u njega. Pri ispitivanju tvrdoće tijelo koje se unosi u materijal i naziva se utiskivač mora biti tvrđe, određene veličine i oblika te se ne smije trajno deformirati. Ispitivanja tvrdoće mogu biti statička i dinamička. Prva vrsta uključuje ispitivanja metodom udubljenja, druga - metodom udarnog utiskivanja. Osim toga, postoji metoda za određivanje tvrdoće grebanjem - sklerometrija.

Po vrijednosti tvrdoće metala možete dobiti ideju o razini njegovih svojstava. Na primjer, što je veća tvrdoća određena pritiskom vrha, to je manja duktilnost metala, i obrnuto.

Ispitivanje tvrdoće metodom utiskivanja sastoji se u tome što se u uzorak pod djelovanjem opterećenja utisne utiskivač (dijamant, kaljeni čelik, tvrda legura) u obliku kugle, stošca ili piramide. Nakon uklanjanja opterećenja na uzorku ostaje otisak čijom se vrijednosti (promjer, dubina ili dijagonala) mjeri i uspoređuje s dimenzijama utiskivača i opterećenja, može prosuditi o tvrdoći metala.

Tvrdoća se određuje na posebnim uređajima - tvrdomjerima. Najčešće se tvrdoća određuje metodama Brinell (GOST 9012-59) i Rockwell (GOST 9013-59).

Postoje opći zahtjevi za pripremu uzorka i ispitivanje ovim metodama:

1. Površina uzorka mora biti čista, bez nedostataka.

2. Uzorci moraju biti određene debljine. Nakon primitka otiska, na poleđini uzorka ne bi trebalo biti znakova deformacije.

3. Preparat mora čvrsto i čvrsto ležati na postolju.

4. Opterećenje mora djelovati okomito na površinu uzorka.

Određivanje Brinellove tvrdoće

Tvrdoća metala po Brinellu određuje se tako da se u uzorak utisne kuglica od kaljenog čelika (slika 1) promjera 10; 5 ili 2,5 mm i izražava se brojem tvrdoće HB dobivenim dijeljenjem primijenjenog opterećenja P u N ili kgf (1N = 0,1 kgf) s površinom otiska F formiranog na uzorku u mm

Broj tvrdoće po Brinellu HB izraženo kao omjer primijenjenog opterećenjaFna trgSkuglasta površina otiska (rupe) na mjerenoj površini.

HB = , (MPa),

gdje

S– površina sferne površine otiska, mm 2 (izraženo krozDid);

D– promjer kuglice, mm;

d– promjer otiska, mm;

vrijednost opterećenjaF, promjer lopteDi trajanje izloženosti pod opterećenjem τ, odabiru se prema tablici 1.

Slika 1. Shema mjerenja tvrdoće po Brinellu.

a) Shema utiskivanja kuglice u ispitni metal

FDje promjer lopte,d otp - promjer otiska;

b) Mjerenje promjera otiska povećalom (na slicid=4,2 mm).

stol 1.

Izbor promjera kugle, opterećenja i vremena zadržavanja pod opterećenjem ovisno o

na tvrdoću i debljinu uzorka

preko 6

6…3

manje od 3

29430 (3000)

7355 (750)

1840 (187,5)

Manje od 1400

preko 6

6…3

manje od 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

Obojeni metali i legure (bakar, mesing, bronca, legure magnezija itd.)

350-1300

preko 6

6…3

manje od 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

Obojeni metali (aluminij, legure ležajeva, itd.)

80-350

preko 6

6…3

manje od 3

2,5

2450 (250)

613 (62,5)

153,2 (15,6)

Slika 2 prikazuje dijagram uređaja poluge. Uzorak se postavlja na predmetni stol 4. Rotirajući zamašnjak 3, vijak 2 podiže uzorak dok ne dođe u kontakt s kuglicom 5, a zatim dok opruga 7, postavljena na vreteno 6, nije potpuno stisnuta. Opruga stvara predopterećenje na kugli jednako 1 kN (100 kgf), što osigurava stabilan položaj uzorka tijekom opterećenja. Nakon toga se uključuje elektromotor 13 i preko pužnog zupčanika mjenjača 12, klipnjače 11 i sustava poluga 8.9 koji se nalazi u tijelu 1 uređaja za mjerenje tvrdoće s utezima 10 stvara zadano puno opterećenje na kugli. . Na ispitnom se uzorku dobije kuglasti otisak. Nakon rasterećenja uređaja, uzorak se izvadi i posebnim povećalom odredi promjer otiska. Kao izračunati promjer udubljenja uzima se aritmetička sredina mjerenja u dva međusobno okomita smjera.

Slika 2. Shema Brinellova uređaja

Pomoću gornje formule, pomoću izmjerenog promjera udubljenja, izračunava se broj tvrdoće HB. Broj tvrdoće ovisno o promjeru dobivenog otiska možete pronaći i iz tablica (vidi tablicu brojeva tvrdoće).

Pri mjerenju tvrdoće kuglicom promjera D = 10,0 mm pod opterećenjem F = 29430 N (3000 kgf), s vremenom zadržavanja τ = 10 s, broj tvrdoće zapisuje se na sljedeći način:HB2335 MPa ili prema staroj oznaci HB 238 (u kgf / mm 2 )

Prilikom mjerenja Brinellove tvrdoće zapamtite sljedeće:

Moguće je ispitati materijale s tvrdoćom ne većom od HB 4500 MPa, jer s većom tvrdoćom uzorka dolazi do neprihvatljive deformacije same kuglice;

Kako bi se izbjeglo probijanje, minimalna debljina uzorka mora biti najmanje deset puta veća od dubine udubljenja;

Udaljenost između središta dvaju susjednih otisaka mora biti najmanje četiri promjera otiska;

Udaljenost od središta otiska do bočne površine uzorka mora biti najmanje 2,5d.

Određivanje tvrdoće po Rockwellu

Prema Rockwellovoj metodi, tvrdoća metala se određuje tako da se u ispitni uzorak utisne kuglica od kaljenog čelika promjera 1,588 mm ili dijamantni konus s kutom pri vrhu 120. oko pod djelovanjem dva sekvencijalno primijenjena opterećenja: preliminarni R0 = 10 kgf i ukupni R, jednak zbroju preliminarnih R0 i glavnih R1 opterećenja (slika 3).

Broj tvrdoće po RockwelluHRmjeri se proizvoljnim bezdimenzijskim jedinicama i određuje se formulama:

HR c = - kada je dijamantni stožac uvučen

HR u = - kada se čelična kuglica utisne,

gdje 100– broj podjeljaka crne skale C, 130 je broj podjeljaka crvene skale B brojčanika indikatora koji mjeri dubinu utiskivanja;

h 0 - dubina udubljenja dijamantnog stošca ili kugle pod djelovanjem predopterećenja. Mm

h– dubina udubljenja dijamantnog stošca ili kugle pod djelovanjem ukupnog opterećenja, mm

0,002 - cijena podjele skale indikatorskog brojčanika (pomicanje dijamantnog stošca pri mjerenju tvrdoće za 0,002 mm odgovara pomicanju kazaljke indikatora za jedan odjeljak), mm

Tip vrha i vrijednost opterećenja odabire se prema tablici 2, ovisno o tvrdoći i debljini uzorka za ispitivanje. .

Broj tvrdoće po Rockwellu (HR) je mjera dubine udubljenja i izražava se u proizvoljnim jedinicama. Jedinica tvrdoće je bezdimenzijska vrijednost koja odgovara aksijalnom pomaku od 0,002 mm. Rockwellov broj tvrdoće označen je izravno strelicom na C ili B ljestvici indikatora nakon automatskog uklanjanja glavnog opterećenja. Tvrdoća istog metala, određena različitim metodama, izražava se različitim jedinicama tvrdoće.

Na primjer,HB 2070, HR c 18 iliHR u 95.

Slika 3. Shema mjerenja tvrdoće po Rockwellu

tablica 2

HR NA

čelična kugla

981 (100)

0,7

25…100

na B ljestvici

2000 do 7000 (kaljeni čelici)

HR IZ

dijamantni konus

1471 (150)

0,7

20…67

na ljestvici C

Od 4000 do 9000 (dijelovi karburizirani ili nitrirani, tvrde legure itd.)

ALI

HR ALI

dijamantni konus

588 (60)

0,4

70…85

na B ljestvici

Rockwell metodu karakterizira jednostavnost i visoka produktivnost, osigurava očuvanje kvalitetne površine nakon ispitivanja te omogućuje ispitivanje metala i legura, male i visoke tvrdoće. Ova metoda se ne preporučuje za legure s nehomogenom strukturom (sivi lijev, temper i visokočvrsti lijev, legure s kotrljajućim ležajevima itd.).

Praktični dio

Prijavite sadržaj.

Navedite naslov djela, njegovu svrhu.

Odgovori na pitanja:

1. Što se naziva tvrdoćom?

2. Što je bit definicije tvrdoće?

3. Koje 2 metode ispitivanja tvrdoće poznajete? Koja je njihova razlika?

4. Kako treba pripremiti uzorak za ispitivanje?

5. Kako objasniti nepostojanje univerzalne metode za određivanje tvrdoće?

6. Zašto se od mnogih mehaničkih svojstava materijala najčešće određuje tvrdoća?

7. Zabilježite u bilježnicu shemu za određivanje tvrdoće po Brinellu i Rockwellu.

Laboratorija #2

Tema: "Mehanička svojstva metala i metode za njihovo proučavanje (čvrstoća, elastičnost)"

Cilj: proučavati mehanička svojstva metala, metode za njihovo proučavanje.

Napredak:

1. Upoznati se s teorijskim odredbama.

2. Izvršite zadatak nastavnika.

3. Izraditi izvješće u skladu sa zadatkom.

Teorijski dio

Glavna mehanička svojstva su čvrstoća, elastičnost, viskoznost, tvrdoća. Poznavajući mehanička svojstva, projektant razumno odabire odgovarajući materijal koji osigurava pouzdanost i trajnost konstrukcija uz njihovu minimalnu težinu.

Mehanička svojstva određuju ponašanje materijala tijekom deformacije i razaranja od djelovanja vanjskih opterećenja. Ovisno o uvjetima opterećenja, mehanička svojstva mogu se odrediti na:

1. Statičko opterećenje - opterećenje na uzorku raste polako i ravnomjerno.

2. Dinamičko opterećenje - opterećenje se povećava velikom brzinom, ima udarni karakter.

3. Ponovljeno promjenjivo ili cikličko opterećenje - opterećenje tijekom ispitivanja više puta se mijenja u veličini ili u veličini i smjeru.

Da bi se dobili usporedivi rezultati, uzorci i metodologija provođenja mehaničkih ispitivanja regulirani su GOST-ovima. U statičkom vlačnom ispitivanju: GOST 1497 dobivaju se karakteristike čvrstoće i duktilnosti.

Čvrstoća - sposobnost materijala da se odupre deformaciji i uništenju.

Plastičnost je sposobnost materijala da mijenja svoju veličinu i oblik pod utjecajem vanjskih sila; mjera plastičnosti – vrijednost zaostale deformacije.

Uređaj za određivanje čvrstoće i duktilnosti je stroj za vlačno ispitivanje koji bilježi dijagram napetosti (vidi sliku 4), izražavajući odnos između istezanja uzorka i djelujućeg opterećenja.

Riža. Slika 4. Dijagram istezanja: a – apsolutno, b – relativno.

Odsječak oa na dijagramu odgovara elastičnoj deformaciji materijala pri promatranju Hookeovog zakona. Naprezanje koje odgovara graničnoj elastičnoj deformaciji u točki a naziva se proporcionalna granica.

Proporcionalna granica je najveći napon do kojeg vrijedi Hookeov zakon.

Pri naprezanjima iznad granice proporcionalnosti dolazi do jednolike plastične deformacije (produljenje ili sužavanje presjeka).

Točka b - granica elastičnosti - najveće naprezanje, do kojeg u uzorku ne dolazi do zaostale deformacije.

Područje cd je granica tečenja, odgovara granici tečenja - to je naprezanje pri kojem dolazi do povećanja deformacije u uzorku bez povećanja opterećenja (materijal "teče").

Mnoge vrste čelika, obojenih metala nemaju izraženu granicu tečenja, stoga je za njih postavljena uvjetna granica tečenja. Uvjetna granica tečenja je naprezanje koje odgovara zaostaloj deformaciji jednakoj 0,2% početne duljine uzorka (legirani čelik, bronca, duraluminij i drugi materijali).

Točka B odgovara granici čvrstoće (na uzorku se pojavljuje lokalno stanjenje - vrat, nastajanje stanjenja tipično je za plastične materijale).

Vlačna čvrstoća je najveće naprezanje koje uzorak može izdržati prije razdvajanja (vlačna čvrstoća).

Iza točke B, opterećenje pada (zbog izduženja vrata) i dolazi do kvara u točki K.

Praktični dio.

Prijavite sadržaj.

1. Navedite naziv djela, njegovu namjenu.

2. Koja mehanička svojstva poznajete? Kojim metodama se određuju mehanička svojstva materijala?

3. Napiši definiciju pojmova čvrstoća i duktilnost. Koje metode se koriste za njihovo određivanje? Kako se zove uređaj koji određuje ta svojstva? Kako su definirana svojstva?

4. Zabilježite krivulju apsolutne napetosti plastičnog materijala.

5. Nakon dijagrama navedite nazive svih točaka i dijelova dijagrama.

6. Koja je granica glavna karakteristika pri odabiru materijala za izradu bilo kojeg proizvoda? Obrazloži odgovor.

7. Koji su materijali pouzdaniji u radu, krhki ili duktilni? Obrazloži odgovor.

Bibliografija

Glavni:

Adaskin A.M., Zuev V.M. Znanost o materijalima (obrada metala). - M .: JIC "Akademija", 2009 - 240 str.

Adaskin A.M., Zuev V.M. Znanost o materijalima i tehnologija materijala. - M.: FORUM, 2010 - 336 str.

Čumačenko Ju.T. Znanost o materijalima i vodovod (NPO i SPO). - Rostov n / D .: Phoenix, 2013 - 395 str.

Dodatno:

Zhukovets I.I. Mehanička ispitivanja metala. - M.: Vyssh.shk., 1986. - 199 str.

Lakhtin Yu.M. Osnove znanosti o materijalima. – M.: Metalurgija, 1988.

Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Znanost o materijalima. - M .: Mašinostrojenje, 1990.

Elektronički izvori:

1. Časopis "Znanost o materijalima". (Elektronički izvor) – obrazac za pristup http://www.nait.ru/journals/index.php?p_journal_id=2.

2. Znanost o materijalima: obrazovni resurs, obrazac za pristup http://www.supermetalloved/narod.ru.

3. Grader čelika. (Elektronički izvor) – obrazac za pristup www.splav.kharkov.com.

4. Federalni centar za informacije i obrazovne resurse. (Elektronički izvor) – obrazac za pristup www.fcior.ru.

Pitanja za ispit 2. godine fakulteta IM
Pitanja za ispit za studente 1. godine IM

Laboratorijski radovi

Laboratorijski časopisi za kolegij "Znanost o materijalima"

(Studenti su dužni nositi tiskanu verziju laboratorijskih dnevnika za laboratorijske vježbe)

Laboratorijski rad na kolegiju "Znanost o materijalima"

Glavna nastavna i nastavno-metodička literatura iz disciplina koje se čitaju na Katedri

Ciklus Znanost o materijalima

1. Bogodukhov S.I., Kozik E.S. Znanost o materijalima. Udžbenik za srednje škole. – M.: Mašinostroenie, 2015. – 504 str.
2. Solntsev Yu.P., Pryakhin E.I. Znanost o materijalima. Udžbenik za srednje škole. - St. Petersburg: KHIMIZDAT, 2007. - 784 str.
3. Arzamasov V.B., Cherepakhin A.A. Znanost o materijalima. Udžbenik. - M.: Ispit, 2009. - 352 str.: ilustr.
4. Oskin V.A., Baikalova V.N., Karpenkov V.F. Radionica o materijalima i tehnologiji konstrukcijskih materijala: udžbenik za srednje škole (ur. Oskin V.A., Baikalova V.N.) . - M.: KolosS, 2007. - 318 str.: ilustr.
5. Materijalna znanost i tehnologija metala: udžbenik za sveučilišta / G.P. Fetisov i drugi - 6. izdanje, dod. - M.: Viša škola, 2008. - 878 str.
6. Znanost o materijalima i tehnologija metala: udžbenik za sveučilišta u inženjerskim specijalnostima / G.P. Fetisov, M.G. Karpman i drugi - M .: Viša škola, 2009. - 637 str.
7. Medvedeva M.L., Prygaev A.K. Bilježnica o znanosti o materijalima. Metodološki vodič - M .: Izdavački centar Ruskog državnog sveučilišta za naftu i plin. IH. Gubkina, 2010, 90 str.
8. Efimenko L.A., Elagina O.Yu., Prygaev A.K., Vyshemirsky E.M., Kapustin O.E., Muradov A.V. Obećavajući i tradicionalni čelici za cijevi za izgradnju plinovoda i naftovoda. Monografija. – M.: Logos, 2011, 336 str.
9. Prygaev A.K., Kurakin I.B., Vasiliev A.A., Krivosheev Yu.V. Obrazloženje izbora konstrukcijskih materijala i razvoj načina njihove toplinske obrade za izradu dijelova strojeva i opreme za industriju nafte i plina. Metodički priručnik za nastavni rad u disciplini "Znanost o materijalima" - M .: Rusko državno sveučilište za naftu i plin nazvano po I.M. Gubkina, 2015
10. Fektistov G.P., Karpman M.G., Miatyukhin V.M. itd. Znanost o materijalima i tehnologija materijala. - M .: Viša škola, 2000
11. Gulyaev A.P. Znanost o materijalima. - M .: Metalurgija, 1986
12. Efimenko L.A., Prygaev A.K., Elagina O.Yu. Metalologija i toplinska obrada zavarenih spojeva. Tutorial. - M.: Logos, 2007. - 455 str.: ilustr.
13. Smjernice za laboratorijski rad na kolegiju "Znanost o materijalima" dio 1 i dio 2, - M .: RGU nafte i plina, 2000.
14. Trofimova G.A. Upute za laboratorijski rad "Konstrukcija i analiza termomehaničke krivulje za amorfne polimere" i "Određivanje mehaničkih svojstava plastičnih masa i guma". - M .: Rusko državno sveučilište za naftu i plin nazvano po I.M. Gubkina, 1999

Ciklus Korozija i zaštita opreme NGP

1. Semenova I.V., Florianovich G.M., Khoroshilov A.V. Korozija i zaštita od korozije. - M: Fizmatlit, 2010. - 416 str.
2. Medvedeva M.L. Korozija i zaštita opreme u preradi nafte i plina. Tutorial. M.: Izdavačka kuća Federalnog državnog unitarnog poduzeća "Nafta i plin", Rusko državno sveučilište za naftu i plin. I. M. Gubkina, 2005. - 312 str.: ilustr.
3. Medvedeva M.L., Muradov A.V., Prygaev A.K. Korozija i zaštita magistralnih cjevovoda i spremnika: udžbenik za sveučilišta za naftu i plin. - M .: Izdavački centar Ruskog državnog sveučilišta za naftu i plin nazvan po I.M. Gubkina, 2013. - 250 str.
4. Sorokin G.M., Efremov A.P., Saakiyan L.S. Korozijsko-mehaničko trošenje čelika i legura. -M .: Nafta i plin, 2002

Ciklus tribologije

1. Sorokin G.M., Malyshev V.N., Kurakin I.B. Tribologija čelika i legura: Udžbenik za sveučilišta. - M.: Rusko državno sveučilište za naftu i plin nazvano po I.M. Gubkina, 2013. - 383 str.: ilustr.
2. Sorokin G.M., Kurakin I.B. Analiza sustava i kompleksni kriteriji čvrstoće čelika. - M .: Izdavačka kuća Nedra LLC, 2011. - 101 str.
3. Sorokin G.M. Tribologija čelika i legura. Moskva: Nedra, 2000
4. V. N. Vinogradov i G. M. Sorokin, Acoust. Mehaničko trošenje čelika i legura: Udžbenik za sveučilišta. - M.: Nedra, 1996. - 364 str.: ilustr.
5. V. N. Vinogradov i G. M. Sorokin, Acoust. Otpornost čelika i legura na trošenje: Udžbenik za sveučilišta. - M.: Nafta i plin, 1994. - 417 str.: ilustr. 246.

Tema:Proučavanje procesa kristalizacije metala

Cilj: proučavati mehanizam kristalizacije metala, energetske uvjete za odvijanje procesa kristalizacije.

Radni nalog

1. Proučite teorijske informacije.

2. U bilježnici za praktični rad pismeno odgovoriti na kontrolna pitanja.

Teorijske informacije

Zajedničko svojstvo metala i legura je njihova kristalna struktura koju karakterizira određeni raspored atoma u prostoru. Za opis atomsko-kristalne strukture koristi se pojam kristalne ćelije – najmanjeg volumena čijim se prevođenjem u svim dimenzijama može u potpunosti reproducirati struktura kristala. U pravom kristalu, atomi ili ioni se približavaju jedni drugima do stanja izravnog kontakta, ali radi jednostavnosti zamijenjeni su dijagramima gdje su centri privlačenja atoma ili iona prikazani kao točkice; ćelije najkarakterističnije za metale prikazane su na sl. 1.1.

sl.1.1. Vrste kristalnih rešetki i raspored atoma u njima:

a) centriran na licu (fcc), b) centriran na tijelu (bcc), c) heksagonalni zbijeni (HS)

Svaka tvar može biti u tri agregatna stanja: kruto, tekuće i plinovito, a prijelaz iz jednog stanja u drugo događa se pri određenoj temperaturi i tlaku. Većina tehnoloških procesa odvija se pri atmosferskom tlaku, zatim fazne prijelaze karakterizira temperatura kristalizacije (taljenja), sublimacije i vrenja (isparavanja).

S porastom temperature čvrstog tijela povećava se pokretljivost atoma u čvorovima kristalne ćelije, a povećava se i njihova amplituda osciliranja. Kada se postigne temperatura taljenja, energija atoma postaje dovoljna da napusti stanicu – ona propada uz stvaranje tekuće faze. Temperatura taljenja je važna fizikalna konstanta materijala. Među metalima najniže talište ima živa (-38,9 °C), a najviše volfram (3410 °C).

Suprotna slika događa se kada se tekućina hladi uz njezino daljnje skrućivanje. U blizini tališta formiraju se skupine atoma, pakirane u ćelije, kao u krutom tijelu. Te skupine su središta (klice) kristalizacije, a zatim na njima raste sloj kristala. Kada se postigne ista temperatura taljenja, materijal prelazi u tekuće stanje uz stvaranje kristalne rešetke.

Kristalizacija je prijelaz metala iz tekućeg u čvrsto stanje pri određenoj temperaturi. Prema zakonu termodinamike, svaki sustav nastoji prijeći u stanje s minimalnom vrijednošću slobodne energije - složene unutarnje energije koja se može izotermno pretvoriti u rad. Stoga se metal skrućuje kada čvrsto stanje ima manje slobodne energije, a topi se kada je slobodna energija u tekućem stanju manja.

Proces kristalizacije sastoji se od dva elementarna procesa: nukleacije centara kristalizacije i rasta kristala iz tih centara. Kao što je gore navedeno, na temperaturi blizu kristalizacije počinje formiranje nove strukture, središta kristalizacije. S povećanjem stupnja prehlađenja povećava se broj takvih centara oko kojih počinju rasti kristali. Istodobno se u tekućoj fazi stvaraju novi centri kristalizacije, pa se povećanje čvrste faze istovremeno događa kako zbog pojave novih centara tako i zbog rasta postojećih. Ukupna brzina kristalizacije ovisi o tijeku oba procesa, a brzine nukleacije centara i rasta kristala ovise o stupnju prehlađenja ΔT. Na sl. 1.2 shematski prikazuje mehanizam kristalizacije.

Riža. 1.2. Mehanizam kristalizacije

Pravi kristali nazivaju se kristaliti, imaju nepravilan oblik, što se objašnjava njihovim istodobnim rastom. Jezgre kristalizacije mogu biti fluktuacije osnovnog metala, nečistoća i raznih čvrstih čestica.

Veličine zrna ovise o stupnju prehlađenja: pri niskim vrijednostima ΔT, brzina rasta kristala je visoka, pa se stvara neznatna količina velikih kristalita. Povećanje ΔT dovodi do povećanja brzine stvaranja jezgri, broj kristalita se značajno povećava, a njihova veličina se smanjuje. Međutim, glavnu ulogu u formiranju metalne strukture igraju nečistoće (nemetalni uključci, oksidi, proizvodi deoksidacije) - što ih je više, to je manja veličina zrna. Ponekad se modifikacija metala provodi namjerno - namjerno unošenje nečistoća kako bi se smanjila veličina zrna.

U nastanku kristalne strukture važnu ulogu igra smjer odvođenja topline, jer u tom smjeru kristal brže raste. Ovisnost brzine rasta o smjeru dovodi do stvaranja razgranatih stablolikih kristala - dendrita (slika 1.3).

Riža. 1.3 Dendritski kristal

Prilikom prijelaza iz tekućeg u kruto stanje uvijek se odvija selektivna kristalizacija – čistiji metal se prvi skrutne. Zbog toga su granice zrna više obogaćene nečistoćama, a heterogenost kemijskog sastava unutar dendrita naziva se dendritička segregacija.

Na sl. 1.4. prikazana je struktura čeličnog ingota u kojoj se mogu razlikovati 3 karakteristične zone: sitnozrnata 1, zona stupčastih kristala 2 i zona ravnotežnih kristala 3. Zona 1 sastoji se od velikog broja kristala koji nisu orijentirani prostor, nastao pod utjecajem značajne temperaturne razlike između tekućeg metala i hladnih stijenki.

Riža. 1.4. Struktura čeličnog ingota

Nakon formiranja vanjske zone pogoršavaju se uvjeti za odvođenje topline, smanjuje se prehlađenje i pojavljuje se manje centara kristalizacije. Kristali počinju rasti iz njih u smjeru odvođenja topline (okomito na stijenke kalupa), tvoreći zonu 2. U zoni 3 nema jasnog smjera odvođenja topline, a jezgre kristalizacije u njoj su strane čestice pomaknute tijekom kristalizacija prethodnih zona.

ispitna pitanja

1. U kojim agregatnim stanjima može postojati materijal?

2. Što se naziva fazna transformacija prve vrste?

3. Koji se proces naziva kristalizacija, kojoj vrsti fazne transformacije pripada?

4. Opišite mehanizam kristalizacije metala i uvjete potrebne za njezino pokretanje.

5. Što je uzrokovalo dendritičan oblik kristala?

6. Opišite strukturu metalnog ingota