Файл: Теория - ткм.doc

Министерство образования рф

Камский Политехнический Институт

I семестр

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМАМ:

«Атомно-кристаллическое строение материалов»

«Структура материалов»

«Дефекты кристаллической структуры»

«Механические свойства материалов»

«Основы металлургического производства»

«Основы литейного производства»

«Обработка металлов давлением»

Набережные Челны 2002 год.

Содержание:

Введение 3

Тема №1: Атомно-кристаллическое строение материалов. 4

1.1 Три агрегатных состояния вещества. 4

1.2. Аморфные и кристаллические состояния твердых тел. 4

1.3. Понятие кристаллической решетки. 5

1.4. Кристаллографическое направление и атомные плоскости. 6

1.5. Анизотропия свойств у кристаллов. 9

Тема №2: Структура металлов. 9

2.1. Общая характеристика и классификация металлов. 9

2.2. Кристаллические решетки металлов. 11

2.3. Полиморфизм металлов. 12

2.3. Зернистое строение металлов. 13

Тема №3: Дефекты кристаллической структуры. 13

3.1. Точечные дефекты. 13

3.2. Линейные дефекты. 14

3.3. Поверхностные и объемные дефекты. 15

Тема №4: Механические свойства материалов. 16

4.1. Классификация свойств и методы механических испытаний материала. 16

4.2. Диаграмма растяжений. 18

4.3. Механизм упругой и пластической деформации 20

4.4. Наклеп или упрочнение металлов. 21

4.5. Возврат или рекристаллизация деформированных металлов. 22

4.6. Разрушение материалов. 23

Технология материалов. 25

Тема №5: Основы металлургического производства. 25

5.1. Основы сведения о металлургическом производстве. 25

5.2. Огнеупорные материалы. 25

5.3. Исходные материалы доменного производства. 26

5.4. Подготовка руд к плавке. 26

5.5. Устройство и работа доменной печи (шахтного типа) 27

5.6. Основные физико-химические процессы в доменной печи. 27

5.7. Сущность процесса получения стали. 28

5.8. Этапы выплавки стали. 29

5.9. Производство сталей в кислородном конверторе. 31

5.10. Производство сталей в электропечах. 31

5.11. Способы выплавки качественной и особо качественной стали. 32

Тема №6: Основы литейного производста. 33

6.1. Основные понятия литейного производства. 33

6.2. Литейные свойства металлов и сплавов. 34

6.3. Дефекты в отливки. 35

6.4. Технология литья в разовых песчано-глинистых формах. 37

6.5. Свойства формовочных смесей. 37

Специальные виды литья 38

6.6. Литье в оболочковой форме. 38

6.7. Литье по выплавляемым моделям. 39

6.8. Литье в кокиль. 40

6.9. Литье под давлением. 41

Тема №7: Обработка металлов давлением (ОМД) 42

7.1. Сущность и основные процессы ОМД. 42

Экзаменационные вопросы. 43

Часть 1. Основы материаловедения 43

Часть 2. Технология материалов 44

Введение

Технология конструкционных металлов (ТКМ)– это комплексная дисциплина, в рамках которой рассматриваются способы производства различных материалов, а также современные прогрессивные методы и их обработки с целью получения деталей машин и конструкций требованной конфигурации и необходимых свойств.

I часть курса ТКМ будет называться основа материаловеденья.

Материаловеденье – это наука о материалах используемых в современной промышленности.

Основная задача: установка и связь между составом, структурой и свойствами материалов.

II часть курса будет называться технология материалов.

• Основы металлургии (получение черных и цветных металлов)

• Основы литейного производства (получение деталей с помощью литья)

• Основы обработки металлов давлением (прокатка, штамповка, ковка)

• Основы обработки металлов резаньем (сверление и т.д.)

• Основы сварочного производства (электросварка, сварка взрывом и т.д.)

Тема №1: Атомно-кристаллическое строение материалов.

1.1 Три агрегатных состояния вещества.

Любое вещество может находиться в трех состояниях – это в жидком, твердом и газообразном.

Реализация того или иного состояния вещества зависит от соотношения средне энергии движения частиц вещества и средней энергии их взаимодействия. Если средняя энергии движения частиц вещества (Е кин) во много раз больше средней энергии их взаимодействия (Е пот), то вещество будет находиться в газообразном состояние, при этом частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) будут находиться на относительно большом расстояние друг от друга и практический не взаимодействуют, двигаясь почти свободно они занимают весь предоставленный им объем.

С понижением температуры средняя энергии движения частиц вещества (Е кин) уменьшается и начинает проявляться силы межатомного взаимодействия, это приводит к переходу вещества в так называемое конденсированное состояние сначала в жидкое, а потом в твердое.

В жидком состояние средняя энергии движения частиц вещества (Е кин) примерно равно средней энергии их взаимодействия (Е пот) в результате наблюдается частые разрывы межатомных связей и так называемые перескоке частиц, и это является причиной тягучести жидкостей.

В твердом состояние энергия межатомных связей преобладает над энергией движения частиц (средняя энергии движения частиц вещества (Е кин) меньше средней энергии их взаимодействия (Е пот)) в результате перескоке совершаются крайне редко и вещества сохраняют свою форму.

Промышленность чаще имеет дела с твердыми телами и прежде всего с металлами и сплавами.

1.2. Аморфные и кристаллические состояния твердых тел.

В аморфных веществах атомы расположены в пространстве хаотично (беспорядочно), а в кристаллических веществах атомы расположены рядом и по порядку (рядами, плоскостями).

Вещества в твердом состояние могут быть либо аморфными, либо кристаллическими.

Аморфные вещества при нагреве размягчаются и плавно переходят в жидкость, а кристаллические вещества переходят в жидкость скачком при постоянной температуре, которую называют температурой плавления, а у аморфных веществ температура плавления отсутствует, она как бы размазана.

Структура аморфного вещества напоминает структуру жидкостей, в которой перескоке происходят крайне редко, по этой причине аморфное состояние можно назвать переохлажденной жидкостью с бесконечно высокой вязкостью.

Примерами аморфных материалов являются: янтарь (смола деревьев), стекло.

Кристаллическое состояние вещества в отличие от аморфного является более стабильным, поэтому в природе чаще встречаются материалы в кристаллическом состояние

Примерами кристаллических материалов являются: кварц, гранит и т. д.

1.3. Понятие кристаллической решетки.

Кристаллическая решётка – это геометрическая модель с помощью, которой описывают расположение частиц вещества в кристаллах.

Кристаллическая решетка представляет собой совокупность единичных узлов и отражает симметрию кристалла.

Необходимо отметить, что в самых кристаллических материалах, атомы сближены до прикосновения.

Задать кристаллическую решетку можно с помощью, так называемой элементарной ячейки.

Элементарная ячейка – это минимальная группа узлов, повторение которых воспроизводит всю пространственную кристаллическую решётку.

Обычно элементарная ячейка имеет вид параллелепипеда.

Другими словами элементарная ячейка это тот кирпичик, из которого строится вся кристаллическая решетка.

Частный случай элементарной частица

Z- узлы, центры тяжести

- атомы

с a, b, c, , β, γ – параметры элементарной ячейки.

α

β0byребраa, b, c явление периода кристаллической

а γрешетки

По своему физическому смыслу a, b, c – это расстояние

Рис 1

х. По порядку это 10^-10м = 1 А⁰ – Ангстрем, 1А⁰ = 10 нн.

С элементарной ячейкой связывает система координат, располагая координатные оси вдоль её ребер.

Если элементарную ячейку перемещать (транслировать) вдоль оси x,y,zс периодами соответственноa,b,c, то можно воспроизвести всю пространственную кристаллическую решетку.

В зависимости от состояния параметров элементарной ячейки, кристаллическая решетка обладает той или иной симметрией. Всего в природе существует 7 систем симметрии:

• Триклинная– это наименьшая системаa≠b≠c,α≠β≠γ≠ 90⁰

• Моноклинная

• Ромбическая

• Ромбоэдрическая

• Гексагональная

• Тетрагональная a=b≠c,α=β=γ= 90⁰

• Кубическая– это наивысшая системаa=b=c,α=β=γ= 90⁰

Элементарные ячейки бывают простыми как на нашем рисунки №1, так и сложные. Всего существует 14 типов элементарных ячеек расположенных по 7 системам симметрии.

Для обозначения сложности элементарной ячейки используют базис.

Базис– это количество атомов определенного типа полностью принадлежащих элементарной ячейки.

Базис простой элементарной ячейки изображен на нашем рисунки №1 и равен 1 (8 атомов принадлежащей ячейки на 1/8)

Базис сложных элементарных ячеек равен 2, 3, 4, 5 т. д.

Система симметрии, величина периода решетки a,b,c, а также базис полностью определяет кристаллическую решетку конкретного материала.

Иногда используют дополнительные параметры, такие как координационное число и степень компактности.

Степень компактности – это отношение объема занимаемого атомами ко всему объему элементарной ячейки.

Максимальная степень компактности равна 0,74 или 74%, больше компактность не уложить.

Координационное число– это количество ближайших равно удаленных соседей любого атома.

В простой решетки изображенной на нашем рисунки №1 координатное число равно 6.