Основы материаловедения: термическая обработка, свойства металлов и сплавов

Термическая обработка и структура металлов

16. Что такое отжиг? Назначение отжига

Отжиг — это термическая операция, заключающаяся в нагреве металла до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении (обычно вместе с печью).

Назначение: сделать сталь мягче, снять внутренние механические напряжения, снизить твердость и подготовить структуру к дальнейшей механической или термической обработке.

17. Что такое кристаллизация металлов? Влияние величины зерна

Кристаллизация — процесс фазового перехода металла из жидкого состояния в твердое с формированием кристаллической решетки и образованием зерен.

Влияние величины зерна: размер зерен напрямую определяет механические характеристики. Чем мельче зерно, тем металл одновременно прочнее, тверже и пластичнее, а также обладает большей ударной вязкостью.

Механические свойства и деформация

19. Деформация металла: упругая и пластическая

Деформация — изменение формы и размеров тела под воздействием внешней нагрузки.

• Упругая деформация — обратимое изменение формы, полностью исчезающее после снятия нагрузки (по принципу пружины).
• Пластическая деформация — необратимое изменение формы, сохраняющееся после прекращения действия силы (например, погнутый гвоздь).

20. Прочность и пластичность металла

• Прочность — способность материала сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы под действием внешних сил.
• Пластичность — способность металла менять форму под нагрузкой без разрушения (деформироваться, вытягиваться, гнуться).

21. Твердость и вязкость металла

• Твердость — способность материала оказывать сопротивление внедрению в него другого, более твердого тела (индентора, например, алмазного наконечника).
• Ударная вязкость — способность металла поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударных нагрузок.

Черные металлы: чугуны и стали

22. Что называют сталью и чугуном?

• Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода составляет до 2,14 %. Сталь пластична и отлично поддается обработке давлением (ковке, прокатке, штамповке).
• Чугун — литейный сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода превышает 2,14 %. Обладает высокой хрупкостью, не поддается ковке, но отличается превосходными литейными свойствами.

18. Чугун: определение, виды, свойства и применение

Чугун — сплав железа с углеродом (свыше 2,14 % C). Отличается хрупкостью, низкой пластичностью, но имеет отличную жидкотекучесть и малую усадку при литье.

Основные виды:

• Серый (содержит пластинчатый графит);
• Белый (весь углерод находится в связанном состоянии — в виде цементита);
• Ковкий (содержит хлопьевидный графит);
• Высокопрочный (содержит шаровидный графит).

Применение: отливка станин станков, коленчатых валов, блоков цилиндров, канализационных труб, тормозных дисков и посуды (сковороды, казаны).

25. Основные виды чугунов и факторы, влияющие на их свойства

Свойства чугунов определяются двумя ключевыми факторами:

• Формой графитовых включений (пластинки, хлопья, шарики);
• Структурой металлической основы (ферритная, перлитная, ферритно-перлитная).

26. Формы присутствия графита в чугунах

• В виде пластинок — в сером чугуне (снижает прочность на растяжение, но хорошо гасит вибрации);
• В виде шариков (сфероидов) — в высокопрочном чугуне (минимально ослабляет металлическую основу);
• В виде хлопьев — в ковком чугуне (получают длительным графитизирующим отжигом белого чугуна).

23. Жаропрочные и жаростойкие стали

• Жаропрочные стали — материалы, способные выдерживать механические нагрузки при повышенных и высоких температурах, противостоять ползучести и разрушению.
• Жаростойкие (окалиностойкие) стали — материалы, обладающие химической стойкостью против окисления и газовой коррозии при высоких температурах (не образуют окалины), но не всегда рассчитанные на высокие механические нагрузки.

Коррозия металлов

24. Химическая и электрохимическая коррозия

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

• Химическая коррозия — процесс разрушения при прямом химическом взаимодействии металла с сухими газами или неэлектролитами (например, образование окалины при высоких температурах в сухом воздухе) без возникновения электрического тока.
• Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде жидких электролитов (растворы солей, кислот, влажный воздух, грунтовые воды) с протеканием анодных и катодных процессов и возникновением микротоков (например, ржавление железа в воде или в почве).

Цветные металлы и сплавы

27. Алюминий и его свойства

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета. Характеризуется высокой электропроводностью и теплопроводностью, превосходной пластичностью, технологичностью и коррозионной стойкостью за счет образования плотной защитной оксидной пленки на поверхности.

28. Дюралюминий и его свойства

Дюралюминий (дюраль) — деформируемый высокопрочный сплав на основе алюминия, легированный медью, магнием и марганцем. После термической обработки (закалки с естественным или искусственным старением) приобретает высокую удельную прочность, сравнимую со сталями.

30. Медь и её свойства

Медь — тяжелый металл красно-розового цвета. Обладает высочайшей электрической проводимостью и теплопроводностью среди технических металлов, исключительной пластичностью, легко поддается пайке и демонстрирует высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

29. Латунь и бронза

• Латунь — сплав меди с цинком (основной легирующий элемент). Дешевле чистой меди, обладает повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и отлично обрабатывается давлением и резанием.
• Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом или бериллием (любой сплав меди, где главным компонентом не является цинк или никель). Обладает высокими антифрикционными свойствами, упругостью и стойкостью к износу.

31. Нейзильбер и мельхиор

• Нейзильбер — тройной сплав меди, никеля и цинка. Внешне напоминает серебро, отличается хорошей упругостью, коррозионной стойкостью и невысокой стоимостью.
• Мельхиор — двухкомпонентный сплав меди с никелем (иногда с добавками железа и марганца). Обладает серебристым цветом, высокой пластичностью, исключительной коррозионной стойкостью, широко применяется в приборостроении и производстве столовых приборов.