Лекція 01 PDF

ВСТУП Металознавство вивчає зв'язки між складом, структурою і властивостями металів. Зародження металознавства пов'язане з іменами П. П. Анасова та Д. К. Чернова, роботи яких вплинули на подальший розвиток науки. Значну роль у розвитку металознавства відіграли праці М. В. Ломоносова, Д. І. Мен...

ВСТУП Металознавство вивчає зв'язки між складом, структурою і властивостями металів. Зародження металознавства пов'язане з іменами П. П. Анасова та Д. К. Чернова, роботи яких вплинули на подальший розвиток науки. Значну роль у розвитку металознавства відіграли праці М. В. Ломоносова, Д. І. Менделєєва, Н. С. Курнакова й ін. Конструкційні металеві матеріали під час експлуатації в агресивних середовищах руйнуються, тому їхнє застосування в техніці вимагає знання як теорії корозії, так і методів захисту від неї в умовах виробництва, збереження, транспортування й експлуатації. Одне з важливих завдань економіки – зниження металоємності на одиницю продукції в машинобудуванні, зменшення втрат від корозії – можна вирішити за допомогою впровадження до галузі машинобудування нових металевих матеріалів (якісних сталей, сплавів, кольорових металів), які стійкі до впливу агресивних середовищ. Для з'єднання металевих конструкцій і деталей у різних галузях промисловості й будівництві провідне місце посідає зварювання. Істотною пере- вагою є можливість під час виготовлення виробу обирати найбільш раціональну конструкцію і форму. Зварені з'єднання за міцністю не поступаються міцності металу, із якого зроблені вироби. Зварені конструкції застосовують під час виготовлення виробів, що працюють за знакозмінних і динамічних навантажень, за високих температур і тиску. Особливо варто підкреслити, що робота під час зварювання менш трудо- містка, ніж під час клепання й лиття.  ЗМ 1.1 ОСНОВИ МЕТАЛОЗНАВСТВА ТА ВИРОБНИЦТВА МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ ТЕМА 1. Основні властивості металів і сплавів 1. Завдання металознавства. Властивості металів та сплавів. 2. Методи випробування металів. 3. Загальна характеристика металів. 4. Кристалічна будова металів. 1. Завдання металознавства. Властивості металів і сплавів. Металознавство – наука про властивості металів і сплавів, основною задачею якої є установлення зв'язку між складом, структурою та властивостями металів і сплавів, а також вивчення закономірностей їхньої зміни за теплових, механічних, фізико-хімічних та інших видах впливу. Виникло металознавство як наука наприкінці XIX ст. Металознавство базується на таких науках, як хімія, фізика, кристалографія, істотно впливаючи на розвиток інженерних дисциплін. Металознавство умовно можна поділити на теоретичне та практичне. Теоретичне металознавство вивчає природу металів і сплавів, закони, за якими змінюють властивості та структуру сплавів залежно від складу й різних видів впливів. Наука про метали в останні роки знайшла багато способів поліпшення властивостей існуючих металевих конструкційних. Серед них лазерна та плазмова обробка поверхні, напилювання порошків, вібраційне накочування поверхні металів. Практичне металознавство дає змогу добирати необхідні метали і сплави для конструкцій, машин, апаратів, виходячи з їхніх властивостей. Залежно від призначення виробів, які виготовляють, метали і сплави повинні відповідати певними властивостями. Ці властивості поділяють на: фізичні, механічні, хімічні й технологічні. Якщо дві перші групи фактично пов'язано з конструктивними особливостями під час створення будь-якого виробу, то дві інші наближені до способів виробництва й експлуатації. До фізичних властивостей металів і сплавів належать: щільність, температура плавлення, теплопровідність, теплове розширення, питома теплоємність, електропровідність і здатність до намагнічення. Знання лише фізичних властивостей не дає змоги схарактеризувати поведінку металів під дією зусиль, яким вони піддаються під час обробки або експлуатації. Необхідно знати механічні властивості, тобто здатність металу чинити опір деформації й руйнуванню під час дії на нього зовнішніх сил, які прийнято називати навантаженнями. Статистичним навантаженням називають навантаження, що зростає поволі від нуля до певного максимального значення і далі залишається постійним. Динамічним навантаженням називають навантаження, що виникає внаслідок удару, коли дія навантаження обчислюється частками секунди.  Зовнішні навантаження, які діють на елементи конструкцій і машин, розподілені тією чи іншою мірою площі або об'єму. Унаслідок цього навантаження може бути поверхневим (наприклад, тиск води або пари на стінку труби) й об'ємним (наприклад, сили тяжіння, інерції, магнітного тяжіння). Проте, для спрощення розрахунків розподілене навантаження можна змінити на рівнодіюче зосереджене навантаження. Залежно від характеру дії навантаження поділяють на розтягуюче (рис. 2.1, а), стискаюче (рис. 2.1, б), вигинаюче (рис. 2.1, в), скручувальне (рис. 2.1, г), зрізуюче (рис. 2.1, д). Рис. 1. 1 – Основні види навантаження: а – розтягування, б – стискання; в – вигин; г – кручення; д – зріз Зміна форми твердого тіла під дією прикладених до нього зовнішніх сил називається деформацією. Міцність металу або сплаву – це властивість чинити опір руйнуванню під дією зовнішніх сил. Залежно від характеру дії цих сил розрізняють міцність на розтягування, стискання, вигин, кручення, втому й ін. Пластичністю називають здатність металу не руйнуватися, змінювати форму під дією навантаження та зберігати змінену форму після того, як навантаження буде знято. Зміна навантаження може мати характер, що періодично повторюється, унаслідок чого їх називають циклічними. Під впливом зовнішніх навантажень, а також структурно-фазових перетворень, у матеріалі конструкції виникають внутрішні сили, які можуть виражатися через зовнішні навантаження. Внутрішні сили, що доводяться на одиницю площі поперечного перетину тіла, називають напругою. У простому випадку осьового розтягування циліндрового стрижня (рис. 1.2, а) напругу в поперечному перетині легко визначити як відношення розтягуючої сили Р до площі поперечного перетину F0, тобто σ = P / F0.  Рис. 1.2 – Схема нормальних і дотичних напруг: а – сила Р, перпендикулярна площині перетину (F0); б – сила Р, не перпендикулярна площині перетину (F1) Загалом, якщо сила Р не перпендикулярна площині цього перетину F1, повну напругу σ1 можна розкласти на два складники: нормальна напруга (σn), спрямована перпендикулярно цій площині, і дотична (τ), направлена уздовж цієї площини (рис. 1.2, б). На рис. 1.2, б площина похилої F1 розташована під кутом α до площини поперечного перетину стрижня. Площа похилого перетину рівна F1 = F0 / cos α. У площині цього перетину діє загальна напруга σ 1 = P / F1 = σ cos α. Розкладаючи цю напругу за правилом паралелограма на складники, отримуємо, що нормальна напруга σ n = σ cos 2 α , а дотична напруга τ = σ cos α sin α = 0,5σ sin 2α. Звідси максимальна нормальна напруга виникає за σ = 0° і дорівнює σ (рис.1.2, а), а максимальна дотична напруга виникає за σ = 45° і дорівнює σ/2. Після зняття зовнішнього навантаження в тілі може залишатися внутрішня напруга. Причиною виникнення внутрішньої напруги можуть бути також різкі перепади температур і структурно-фазові перетворення, що відбуваються у процесі технологічної обробки матеріалів. Класифікація внутрішньої напруги: - внутрішня напруга першого роду – напруга, що виникає між крупними частинами тіла (макроскопічна напруга); - внутрішня напруга другого роду – напруга, що виникає між суміжними зернами або усередині зерен (мікроскопічна напруга); - внутрішня напруга третього роду – напруга, що виникає усередині об'єму, що охоплює кілька осередків кристалічної решітки (субмікроскопічна напруга). Дія зовнішніх сил призводить до деформації тіла, тобто до зміни його розмірів і форми. Деформація, що характеризує зміну лінійних розмірів, називається лінійною, а деформація, що характеризує зміну кутів, – кутовою або деформацією зрушення. Лінійна, або кутова деформація, що зникає після розвантаження, називається пружною, а та, що залишається в тілі, – пластичною (залишковою).  Ударною в'язкістю називається здатність металів і сплавів чинити опір дії ударних навантажень. Твердістю називається властивість металу чинити опір проникненню до нього іншого, твердішого тіла, яке одержує залишкову деформацію. Утомою металів називають явище руйнування під час багаторазового навантаження. Пошкодження навантажень значно зменшує міцність металу. Тому в техніці для характеристики втоми прийнятий термін витривалості. Деформація пружнопластичності досягши достатньо високої напруги може завершитися руйнуванням тіла. Процес руйнування складається з кількох стадій: зародження мікротріщин, утворення макротріщин, розповсюдження макротріщини по всьому перетину тіла. Хімічна властивість – це властивість металів і металевих сплавів, що визначає відношення до хімічних дій різних активних середовищ. Кожен метал або сплав має певну здатність дії цих середовищ. Хімічні дії середовища виявляються в різних формах: під впливом хімічної дії кисню, повітря й вологи метали піддаються корозії – чавун іржавіє, бронза вкривається зеленим шаром окису, сталь під час нагрівання в гартівних печах без захисної атмосфери окислюється, перетворюється на окалину, а в сірчаній кислоті розчиняється. Тому для практичного використання металів і сплавів необхідно знати їхні хімічні властивості. Метали і сплави, стійкі до окислення при сильному нагріванні, називаються жаростійкими або окалиностійкими. Такі метали застосовуються для виготовлення труб парових казанів, деталей турбін, що сильно нагріваються, компресорів. Технологічні властивості. Під час вибору металів і сплавів для виготовлення деталей, машин і конструкцій велике значення мають технологічні властивості, під якими розуміють здатність металу піддаватися різним видам обробки. Оброблюваність – комплексна властивість металу, що характеризує його здатність піддаватися обробці. Зазвичай оброблюваність визначається за швидкістю різання, за зусиллям різання й чистотою поверхні. До технологічних властивостей належать – ковкість, зварюваність, оброблюваність ріжучим інструментом. Ці властивості впливають на виробничий процес виготовлення металевих деталей. Ковкість – здатність металів піддаватися обробці тиском. Ця властивість металів пов'язана з їхньою пластичною деформацією, особливо під час нагрівання. Ковкість визначає можливість застосування таких видів обробки, як прокатка, пресування, волочіння, кування та штампування. Зварюваність – здатність металів утворювати міцні нероз'ємні з'єднання виготовлених із них деталей. Зварювання застосовують для виготовлення конструкцій, відновлення зламаних деталей, виправлення шлюбу лиття й т. д. Зварені конструкції легші, міцніші й дешевші за литі та клепані. 2. Методи випробування металів. Для визначення складу, властивостей і якості металевих виробів застосовуються наступні методи випробування металів: хімічний аналіз, механічні випробування, металографічний аналіз і технологічні проби. Останнім часом поширюються й інші, доволі ефективні методи, – спектральний і рентгенографічний аналізи й дефектоскопія. Хімічний і спектральний аналізи служать для визначення хімічного складу металів. Дослідження будови металів провадять за допомогою макро-, мікро- та рентгеноструктурного аналізу. Макроаналіз – це метод вивчення структури металу чи сплаву неозброєним оком, або за невеликих збільшень. Він дозволяє з'ясувати різні дефекти злитків, виливок, кування, а також характер розподілу сірки у сталевих деталях. Мікроаналіз застосовується для виявлення структурних складових, визначення розміру зерна й контролю якості термічної обробки. Дослідження будови металу проводять за великого збільшення за допомогою металографічного мікроскопа. Рентгеноаналіз застосовують для контролю якості виробів просвічуванням. Для вивчення внутрішньої будови металів і сплавів застосовують рентгеноструктурний аналіз. Дефектоскопію широко застосовують для виявлення внутрішніх дефектів у металевих виробах (тріщин, «раковин», неметалічних включень) без руйнування самих виробів. У промисловості використовуються магнітні й ультразвукові дефектоскопи. Магнітний дефектоскоп діє за наступним принципом. Контрольований виріб намагнічують, місце, що досліджують укривають феромагнітним порошком окису заліза чи поливають суспензією, яка має дрібні частки окису заліза зважені в олії, бензині чи спирті. Оскільки дефекти мають знижену магнітну проникність, магнітні силові лінії прагнуть обійти їх. Вийшовши за межі поверхні деталі, вони потім входять назад, щоб утворити неоднорідне магнітне поле. У наслідок цього частки порошку концентруються над дефектом, утворюючи різко обмежений рисунок, за яким судять про його місце, величину та форму. Найважливіше значення для визначення якості металів мають механічні випробування: статичні й динамічні, на витривалість, зносостійкість і технологічні проби. 3. Загальна характеристика металів. Усі метали умовно поділяють на чорні й кольорові. До чорних металів (близько 90 % усього світового виробництва металів) зараховують залізо і сплави на його основі. Кольорові метали – це алюміній, магній, мідь, нікель, титан, цинк, свинець і сплави на їхній основі. У наслідок збільшення виробництва кольорових металів значення заліза і його сплавів знижується. Такі метали, як хром, марганець, молібден, через їхню недостатню пластичність чи дефіцитність не є самостійними конструкційними матеріалами і входять до сплавів як легуючі домішки. Свинець, цинк, олово через недостатню міцність, а магній також унаслідок невисокої корозійної стійкості мають обмежене застосування як конструкційні матеріали і використовуються як захисні покриття. Основних металевих конструкційних матеріалів п'ять: залізо (сталь, чавун), алюміній, мідь, нікель і титан.  Важливу роль відіграють сплави металів, оскільки вони мають більш високі механічні і технологічні властивості, ніж їхні складники їх – чисті метали. 4. Кристалічна будова металів. Метали і сплави у твердому стані мають кристалічну будову, яка характеризується визначеним закономірним розташуванням атомів. Рентгенівським дослідженням встановлено, що атоми у кристалі металу утворюють просторові кристалічні ґрати, що складаються з багаторазово повторюваних елементарних осередків, що здебільшого мають порівняно просту форму. Залізо, наприклад, має елементарні осередки у вигляді об´ємно- центрированого куба (рис. 1.3, а), у якому вісім атомів розташовані на вершинах, а один – в центрі куба, і гранецентрованого куба (рис. 1.3, б), в якому вісім атомів розташовані на вершинах, а шість – у центрі кожної грані куба. ´ а) б) Рис. 1.3 – Елементарні осередки просторових ґрат заліза а - об´ємно-центрований куб; б– гранецентрований куб Більш щільно атоми розташовані у ґратах гранецентрованного куба. Кубічні ґрати, крім заліза, мають і багато інших металів, у тому числі алюміній, мідь, вольфрам, молібден, свинець, срібло, натрій, калій. Магній, цинк, кадмій мають гексагональні ґрати, а деякі метали – ромбічні чи тетрагональні ґрати. Олово, нікель, титан, кобальт і деякі інші метали зі зміною температури змінюють тип ґрат. Наприклад, нікель може мати кубічні гранецентрировані чи гексагональні ґрати, а кальцій - кубічні гранецентрировані, гексагональну і кубічні об´ємноцентровані. Усі метали можуть перебувати у твердому, рідкому чи газоподібному стані. Практичне значення мають перші два агрегатних стани: тверде й рідке. Рідкий стан переходить у твердий при температурі затвердіння, що коливається від –390 для ртуті до +33900 для вольфраму. Перехід із рідкого стану у твердий – це процес перетворення невпорядкованого розташування атомів на закономірне з утворенням криста- лічних ґрат (кристалів). Цей процес називається первинною кристалізацією. У момент переходу з рідкого стану у твердий зниження температури тимчасово припиняється чи сповільнюється, тому що виділяється прихована теплота кристалізації. Установлено, що кристалізація складається з двох елементарних процесів: перший – зародження центрів кристалізації, другий – зростання кристалів із цих центрів, при чому обидва процеси відбуваються одночасно. Зазвичай кристали не можуть набути правильної форми тому, що їхнє зростання обмежують суміжні кристали. Кристали, що мають неправильні зовнішні обриси, називаються кристалітами, або зернами. Внутрішня будова зерен кристалічна. Для швидкості кристалізації й утворення форми кристалів у процесі затвердіння металу важливе значення мають швидкість і напрямок відведення тепла. У напрямку відведення тепла кристали ростуть швидко, утворюючи осі, від яких відгалужуються численні відростки. Такі деревоподібні кристали називають дендритами. Дендритна будова характерна для литого металу. Залізо й деякі інші метали при зміні температури можуть мати різні кристалічні ґрати. Існування одного металу в кількох кристалічних формах називається поліморфізмом, чи алотропією, а температура, при якій метал переходить з одного стану в інший – температурою поліморфного перетворення. Залізо, наприклад, має дві температури поліморфного перетворення: 9100 і 14000. На рис. 1.4 показана крива нагрівання й перекристалізації заліза. У графіку видно, що при нагріванні до температури 7700 залізо має об´ємно- центричні α-ґрати. В інтервалі температур від 7700 до 9100 об´ємноцентричні ґрати зберігаються, але α-залізо втрачає свої магнітні властивості, тому його називають β-залізом. При температурі 9100 об´ємноцентричні b-ґрати переходять у гранецентричні γ-ґрати, які при температурі 14000 знову переходять в об´ємноцентричні ґрати, що позначається буквою δ. При температурі 15350 залізо розплавлюється. Рис. 1.4 – Крива нагрівання й перекристалізації заліза Під час охолодження заліза ґрати змінюються у зворотній послідовності. Перехід з однієї кристалічної форми в іншу під час охолодження супроводжується виділенням, а під час нагріванні – поглинанням тепла. Це призводить до утворення температурних зупинок, які називають критичними точками. Процес переходу металів у новий стан, що відбувається при поліморфному перетворенні, називають перекристалізацією, чи вторинною кристалізацією.  Контрольні запитання: 1. Викладіть сучасне поняття атомно-кристалічної будови металів. Кристалічні ґрати, їхні основні параметри; кристалографічні ґрати. 2. Відтворіть діаграму стану «залізо – вуглець». Укажіть фазу та структурні складники системи, подайте їхню характеристику. Класифікація сталей і чавунів за структурою. 3. Викладіть методику випробування металів на втому. Поясніть характер утоми дозволу. 4. Які сплави прийнято називати сталлю й чавуном? Класифікація чавунів і маркування конструкційних чавунів. 5. Що таке метал? Які метали відносять до простих і перехідних? 6. Який сплав називають сталлю? Класифікація сталей за призначенням, структурою, хімічним складом, ступенем розкислення, якістю. 7. Властивості металів. Статичне випробування металів. 8. Класифікація й маркірування вуглецевих конструкційних та інструмента- льних сталей. Навести приклади маркування. 9. Що називають «легованою сталлю»? Вплив легуючих елементів на властивості й будову сталей. Класифікація та маркування сталей. 10. Дослідження металів і сплавів під час статичних і динамічних порушеннях.