Свойства металлов и сплавов реферат

Обновлено: 21.09.2024

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Файлы: 1 файл

Материаловедение.docx

свойства металлов и сплавов

Методы исследования свойств металлов и сплавов

Металлы, особенности атомно- кристаллического строения

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

«металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
пластичность;
высокая теплопроводность;
высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решеток являются:

Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) , атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
Гранецентрированная кубическая (ГЦК) , атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, )
Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости(цинк).

Понятие об изотропии и анизотропи

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

Магнитные свойства

Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается.

Методы исследования металлов и сплавов: структурные и физические

Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.

Определение химического состава.

Используются методы количественного анализа.

1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.

Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.

Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.

Используются стационарные и переносные стилоскопы.

2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.

Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.

Изучение структуры

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.

Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).

Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.

Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.

2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.

Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.

Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.

Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10-8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующие межатомным расстояниям.

Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.

При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.

При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.

Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.

3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографическ ие методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций. Физические методы исследования

1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.

2. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.

Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3 . Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

Понятие о сплавах и методах их получения

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Основные понятия в теории сплавов.

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

механические смеси;
химические соединения;
твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Материаловедение: металлы и сплавы

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Материаловедение: металлы и сплавы

Самостоятельная работа №1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

2. Самостоятельная работа № 2

«Диаграмма состояния “железо-цементит”

3. Самостоятельная работа №3

4. Самостоятельная работа № 4

«Термическая обработка металлов и сплавов»

5. Самостоятельная работа № 5

«Сплавы, применяемые в промышленности»

Самостоятельная работа 1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

Вариант задания № 9

Объясните, к какой деформации (холодной или горячей), следует отнести прокатку низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре.

Горячая деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. Холодная прокатка производится ниже температуры рекристаллизации, сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Прокатка низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре следует отнести к холодной деформации.

В цветной металлургии холодная прокатка применяется для получения тонких полос, листов и лент из алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, никеля, титана, цинка, свинца и многих других металлов.

Напишите, каким способом надо измерять твёрдость листовой мягкой стали толщиной 1мм.

Твёрдость в большинстве случаев испытывается при статическом характере вдавливания индентора в виде шарика, конуса или пирамиды в тело исследуемого объекта или царапанием поверхностного слоя пирамидой из твёрдого материала (склерометрический метод).

Для определения твёрдости тонких слоёв или мелких образцов используют прибор “Супер-Роквелл”, отличающийся от обычного прибора “ТК” меньшими нагрузками.

Объясните, когда процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения? (ответ обосновать).

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп (температура плавления).

На рис.1. изображены термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации металлов при охлаждении с разной скоростью. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика (рис.1 кривая ?Т). В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (кривые ?Т₁, ?Т₂) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.

Зерно металла сильно влияет на механические свойства: чем мельче зерно, тем выше вязкость и пластичность.

При увеличении степени переохлаждения скорость образования кристаллов и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются.

Самостоятельная работа 2

«Диаграмма состояния “Железо-цементит”»

Построить диаграмму «железо-цементит» с обозначением линий, точек и областей.

Рис..1. Диаграмма состояния железо – цементит

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.

Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом. При температурах ниже 910° С, железо существует в ? -модификации. Эта аллотропическая модификация железа называется ? -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует ? -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. В углеродистых сталях различают следующие фазы (рис.1): жидкий сплав (Ж), твердые растворы -феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц),

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе. Содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB = 790 МПа) и прочность (?₆ = 245МПа), высокие пластичность (? = 50%, ? = 85%) и ударная вязкость (KCU = 2940кДж/м 2 ).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc₃C. Содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность.

Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.

Определить вид углеродистой стали и белого чугуна по заданному содержанию углерода, отметить эти точки на своей диаграмме.

Линия ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 1499°С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит.

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита.

На участке ECF при постоянной температуре 1147 o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного

При 1147°С протекает эвтектическая реакция Lc-A_E+Ц.

Жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом.

При 727°С протекает эвтектическая реакция A - Фр+Ц.

В отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз. Продукт превращения – эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом.

Реферат на тему: "Основные свойства металлов и их учет при обработке"

Тема: Основные свойства металлов и их учет при обработке.

Цель: Ознакомить учащихся с основными механическими и техническими свойствами металлов. Дать представление о металлах и их сплавах. Обучить учащихся обработке металлов.

Инструменты и приспособления: Образцы металлов.

Проверка списочного состава учащихся, назначение дежурных.

Изложение нового материала.

Учитель: Приступая к изготовлению какого-либо изделия, необходимо правильно выбрать наиболее подходящий для него металл.

Правильный выбор можно сделать, зная свойства металла или сплава.

Различают механические и технологические свойства металлов.

^ К механическим свойствам относятся:

1. прочность-способность металла или сплава воспринимать действующие нагрузки, не разрушаясь.

2. твердость – свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала.

3. упругость – свойство металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после устранения внешних сил.

4. вязкость- свойство тел поглощать энергию удара.

5. пластичность – способность изменять форму под действием внешних сил, не разрушаясь.

К технологическим свойствам относятся:

1. ковкость – свойство металла или сплава получать новую форму под действием удара.

2. жидкотекучесть- свойство металла или сплава в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму и получать плотные отливки.

3. обрабатываемость резанием – свойство металла или сплава подвергаться обработке резанием различными инструментами.

4. свариваемость – свойство металлов соединяться в пластичном или расплавленном состоянии.

5. коррозийная стойкость – свойство металлов и сплавов противостоять коррозии.

В ходе рассказа учитель демонстрирует образцы металлов и сплавов, обладающих теми или иными свойствами.

Все металлы и сплавы делятся на:

а) черные – железо, сталь, чугун;

б) цветные – медь, алюминий, бронза, латунь, дюраль и др.

В чистом виде металлы обладают худшими свойствами в отличие от их сплавов.

^ Рассмотрим свойства сплавов черных металлов.

Сталь- сплав железа с углеродом менее 2% углерода (прочный и пластичный материал): конструкционная сталь (детали машин), инструментальная (с добавлением хрома, вольфрама) – режущий инструмент.

Чугун – сплав железа с углеродом 2-4% углерода: хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью.

применяется для отливки станин станков, радиаторов отопления и др.

Сплавы цветных металлов.

1. Латунь – сплав меди с цинком: применяется в условиях повышенной влажности, в электротехнике.

2.Бронза – сплав меди со свинцом, алюминием, оловом и др.: применяется в водопроводных кранах, электротехнике, отливке художественных изделий и др.

Дюралюминий – сплав алюминия с медью, магнием, цинком: применяется в авиации, машиностроении.

Читайте также: