Scienza dei materiali. Cheat sheet: in breve, il più importante

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Scienza dei materiali. Cheat sheet: in breve, il più importante

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Sommario

Il tema della scienza dei materiali; classificazione moderna dei materiali, tappe principali nello sviluppo della scienza dei materiali
Grana struttura dei metalli. Confini del grano e del sottograno
Microscopia ottica; caratteristiche quantitative della microstruttura
cellula elementare; numero di coordinazione; sintonia
Classificazione dei difetti nella struttura cristallina. Difetti puntuali, dipendenza della loro concentrazione dalla temperatura. Dislocazioni del bordo e della vite
Diffusione nei metalli
Transizioni di fase del primo e del secondo tipo
Fusione dei metalli e struttura dei fusi
Cristallizzazione di metalli; nucleazione dei cristalli, germe critico; nucleazione omogenea ed eterogenea dei cristalli; crescita cristallina. Curve Tamman
Struttura del lingotto e leghe amorfe
Modifica del metallo. Test standard per trazione, compressione, flessione, durezza, resistenza all'urto
Trasformazioni di fase allo stato solido
Deformazione elastica e plastica dei metalli
Tipi di frattura: concetti di frattura duttile e fragile
Proprietà elettriche dei materiali conduttivi
Metodi per determinare le proprietà elettriche
Capacità termica e conducibilità termica di metalli e leghe
Dilatometria. Proprietà magnetiche di metalli e leghe. Metodi di determinazione
Il valore delle proprietà meccaniche e fisiche nel funzionamento dei prodotti
Le proprietà come indicatori della qualità del materiale
Tipi di fasi nelle leghe metalliche. Regola di fase; regola della leva
Solide soluzioni di sostituzione e introduzione; fasi intermedie; sovrastrutture
Sistema a solubilità illimitata allo stato liquido e solido; sistemi eutettici, peritettici e monotettici. Sistemi con polimorfismo dei componenti e trasformazione eutettoidica
Sistema con triplo eutettico e quasi totale assenza di solubilità dei componenti allo stato solido; sezioni isotermiche e politermiche
Regola della leva e baricentro di un triangolo
Dipendenza delle proprietà meccaniche e fisiche dalla composizione in sistemi di vario tipo
La scelta di leghe per uno scopo specifico basata sull'analisi dei diagrammi di stato
La struttura e le proprietà del ferro; diagrammi di fase ferro-carbonio metastabili e stabili. Formazione della struttura degli acciai al carbonio. Determinazione del contenuto di carbonio nell'acciaio per struttura
Acciai strutturali e al carbonio per utensili. Marcatura, applicazione
Ghise bianche, grigie, mezze, duttili e malleabili
Formazione di microstrutture, proprietà, etichettatura e applicazioni
Il ruolo del trattamento termico nel miglioramento della qualità dei materiali strutturali
L'uso del trattamento termico nella tecnologia di produzione di grezzi e prodotti da materiali strutturali
Ricottura del 1° tipo. Cristallizzazione di non equilibrio
Ricottura di omogeneizzazione, modifica della struttura e delle proprietà durante la ricottura di omogeneizzazione. Indurimento con trasformazione polimorfica. Indurimento senza trasformazione polimorfica
Cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà meccaniche dei metalli durante il riscaldamento dopo la lavorazione a caldo ea freddo per pressione
Ritorno, ricristallizzazione primaria e collettiva. Ricottura di ricristallizzazione
Ricottura del secondo tipo. Ricottura e normalizzazione di acciai; modalità e scopo della ricottura e della normalizzazione
Rilascio di acciai. Trasformazioni dell'acciaio durante il rinvenimento, cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà
Trattamento chimico-termico dell'acciaio. Scopo, tipi e modelli generali. Saturazione per diffusione di leghe con metalli e non metalli
Classificazione e marcatura degli acciai legati. Influenza degli elementi di lega su trasformazioni, microstruttura e proprietà dell'acciaio; principi per lo sviluppo degli acciai legati
Acciai da costruzione: da costruzione, ingegneria, ad alta resistenza. Acciai per utensili: acciai per utensili, acciai per cuscinetti, acciai per stampi
Acciai inossidabili, resistenti al calore e resistenti al calore, resistenti al freddo, elettrici e resistenti all'usura
Marcatura, struttura, proprietà e applicazioni dei metalli non ferrosi e loro leghe
Alluminio; l'influenza delle impurità sulle proprietà dell'alluminio; leghe di alluminio lavorate e fuse
Rame; influenza delle impurità sulle proprietà del rame. Ottone, bronzo, leghe rame-nichel
Magnesio e sue leghe
Titanio e sue leghe
Tipi di materiali compositi. Struttura, proprietà, applicazioni
Composizione chimica, metodi per ottenere polveri, proprietà e metodi per il loro controllo
Formatura e sinterizzazione di polveri, campi di applicazione
bicchieri inorganici. Ceramica tecnica
Polimeri, plastica

1. La materia della scienza dei materiali; moderna classificazione dei materiali, fasi principali nello sviluppo della scienza dei materiali

La scienza dei materiali studia la composizione, la struttura, le proprietà e il comportamento dei materiali in base alle influenze ambientali. L'impatto può essere termico, elettrico, magnetico, ecc. Qualsiasi componente di strutture o strutture è soggetto a carichi sia da altri componenti che dall'ambiente esterno.

Classificazione dei materiali: materiali metallici, non metallici e compositi. I materiali metallici sono suddivisi in metalli non ferrosi, materiali in polvere. Materiali non metallici: gomma, vetro, ceramica, plastica, vetroceramica. I materiali compositi sono materiali compositi, che comprendono due o più materiali (fibra di vetro).

Esiste una classificazione dei materiali a seconda della tipologia di semilavorati: lastre, polveri, granuli, fibre, profili, ecc.

La tecnica di creazione dei materiali è la base per la classificazione per struttura.

I materiali metallici sono divisi in gruppi in base al componente che li sottende. Materiali della metallurgia ferrosa: acciai, ghise, ferroleghe, leghe in cui il componente principale è il ferro. Materiali metallurgici non ferrosi: alluminio, rame, zinco, piombo, nichel, stagno.

La base della moderna tecnologia è costituita da metalli e leghe metalliche. Oggi i metalli sono la classe di materiali più versatile in termini di applicazione. Per migliorare la qualità e l'affidabilità dei prodotti, sono necessari nuovi materiali. Per risolvere questi problemi vengono utilizzati materiali compositi, polimerici e in polvere.

I metalli sono sostanze che hanno malleabilità, lucentezza, conducibilità elettrica e conducibilità termica. In ingegneria, tutti i materiali metallici sono chiamati metalli e sono divisi in due gruppi.

Metalli di base - metalli che hanno una piccola quantità di impurità di altri metalli.

Metalli composti - metalli che sono combinazioni di un metallo semplice come base con altri elementi.

Tre quarti di tutti gli elementi della tavola periodica sono metalli.

La scienza dei materiali o la scienza dei materiali è stata sviluppata fin dai tempi antichi. La prima fase dello sviluppo della scienza dei materiali inizia con la produzione specializzata della ceramica. Un contributo speciale allo sviluppo della scienza dei materiali in Russia è stato dato da M.V. Lomonosov (1711-1765) e D.I. Mendeleev (1834-1907). Lomonosov ha sviluppato un corso di chimica fisica e atomistica chimica, ha confermato la teoria della struttura atomica e molecolare della materia. Mendeleev è accreditato dello sviluppo della tavola periodica degli elementi. Entrambi gli scienziati hanno prestato molta attenzione al problema della produzione del vetro.

Nel XNUMX ° secolo il contributo allo sviluppo della scienza dei materiali è stato dato da F.Yu. Levinson-Lessing, E.S. Fedorov, VA Obruchev, AI Fersman, NN Belelubsky. Vengono prodotti nuovi materiali: cemento Portland, nuovi gessi, calcestruzzi cementizi, materiali polimerici, ecc.

Nell'ingegneria meccanica, i metalli e le leghe metalliche sono ampiamente utilizzati, motivo per cui la scienza dei metalli è una parte importante della scienza dei materiali.

La scienza dei metalli come scienza è nata in Russia nel XNUMX° secolo; è la base scientifica per lo sviluppo di nuovi processi tecnologici ottimali: trattamento termico, colata, laminazione, stampaggio, saldatura. La combinazione di elevata resistenza e durezza con una buona duttilità, tenacità e lavorabilità, non riscontrabili in altri materiali, è stata la ragione per l'uso dei metalli come materiale strutturale principale in tutte le aree della tecnologia.

Per la prima volta, l'eccezionale scienziato russo P.P. ha stabilito l'esistenza di una connessione tra la struttura dell'acciaio e le sue proprietà. Anosov (1799-1851), che rivelò il segreto da tempo perduto della fabbricazione e dell'ottenimento da parte degli antichi maestri dell'acciaio damascato orientale, che viene utilizzato per la produzione di lame. L'acciaio damascato di Anosov era famoso in tutto il mondo e veniva persino esportato all'estero. Le lame, realizzate con questo acciaio, si distinguevano per l'elevata durezza e tenacità. PP Anosov è considerato l '"iniziatore" della produzione di acciaio di alta qualità, è stato il primo a utilizzare un microscopio per determinare la struttura dell'acciaio e ha avviato lo studio della relazione regolare tra la struttura e le proprietà delle leghe.

Il fondatore della metallurgia scientifica D.K. Chernov (1839-1921), che scoprì le trasformazioni di fase nell'acciaio nel 1868. Scoperta di D.K. I punti critici di Chernov aeb (secondo la moderna designazione A1 e A3) hanno rivoluzionato la conoscenza della natura delle leghe metalliche e hanno permesso di spiegare una serie di fenomeni "misteriosi" che si verificano durante il trattamento termico degli acciai.

Un enorme contributo allo sviluppo della scienza dei metalli è stato dato da N.S. Kurnakov, AA Baikov, NT Gudtsov, AA Bochnar, GV Kurdyumov, SS Shteyiberg, AP Gulyaev, così come altri scienziati sovietici.

Di grande importanza nello sviluppo della scienza dei metalli e del trattamento termico furono le opere di Osmond (Francia), Seitz, Bain e Meil (USA), Tammann e Hahnemann (Germania).

Nel XNUMX° secolo sono stati raggiunti importanti risultati nella teoria e nella pratica della scienza dei materiali, sono stati creati materiali ad alta resistenza per strumenti, sono stati sviluppati materiali compositi, sono state scoperte e utilizzate le proprietà dei semiconduttori, metodi per rafforzare le parti per via termica e chimica il trattamento termico è stato migliorato.

2. Struttura del grano dei metalli. Confini del grano e del sottograno

I metalli sono corpi policristallini, sono costituiti da piccoli cristalli. Sono caratterizzati da proprietà metalliche e costituiscono il 50% di tutti gli elementi chimici. La struttura dei metalli e delle loro leghe è cristallina.

Nel processo di cristallizzazione, i cristalli acquisiscono una forma irregolare. Si chiamano grani. Ogni grano ha il proprio orientamento del reticolo cristallino, che differisce dall'orientamento dei grani vicini. La granulometria di un metallo influisce sulle sue proprietà meccaniche. Queste proprietà, tenacità e plasticità, sono molto più elevate se il metallo ha una grana fine.

Le interfacce di grano sono chiamate bordi di grano, che possono essere: inclinati quando l'asse di rotazione si trova sullo stesso piano del confine; attorcigliato con l'asse perpendicolare al piano. Un tale pezzo di metallo è un policristallo. I bordi del grano sono determinati dai punti di contatto tra cristalli adiacenti. La dimensione, la struttura e la natura della struttura dei grani possono essere giudicate dalle fratture del metallo.

Nei materiali policristallini, la granulometria va da 1 a 1000 micron. I grani sono disorientati, ruotati l'uno rispetto all'altro fino a decine di gradi. I confini sono il principale difetto dei metalli. Ai confini tra i grani, gli atomi non hanno la disposizione corretta. C'è una regione di transizione larga diversi diametri atomici, in cui il reticolo di un grano passa nel reticolo di un altro grano con un orientamento diverso. La struttura dello strato di transizione (confine) contribuisce all'accumulo di dislocazioni in esso, poiché quando si attraversa il confine, né il piano di scorrimento né il vettore di Burgers rimangono invariati. La violazione della corretta disposizione contribuisce al fatto che ai bordi del grano viene aumentata la concentrazione di quelle impurità che abbassano l'energia superficiale. All'interno dei grani viene disturbata la corretta struttura cristallina.

I confini dei sottograni sono meno disturbati.

Tutti i metalli hanno proprietà comuni: duttilità, elevata conducibilità termica ed elettrica, lucentezza metallica specifica, aumento della resistenza elettrica all'aumentare della temperatura.

Un singolo cristallo cresce da un liquido fuso, che è un singolo cristallo. Le dimensioni dei singoli cristalli sono piccole, vengono utilizzate nei laboratori per studiare le proprietà di qualsiasi sostanza. I metalli e le leghe, che si ottengono nelle condizioni più ordinarie, sono costituiti da un gran numero di cristalli, hanno una struttura policristallina.

Lo studio della struttura dei metalli mediante analisi di diffrazione di raggi X e un microscopio elettronico ha permesso di stabilire che la struttura cristallina interna del grano non è corretta. Nei reticoli cristallini dei metalli reali sono presenti vari difetti (imperfezioni) che rompono i legami tra gli atomi e influenzano le proprietà dei metalli. Tutti i difetti del reticolo sono violazioni dell'impilamento degli atomi nel reticolo.

La disposizione degli atomi nel reticolo può assumere la forma di un cubo centrato (b- e c-ferro, b-titanio, cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio), un cubo le cui facce sono centrate (g-ferro, alluminio, rame, nichel, piombo, c-cobalto) o esagonale, o a forma di cella (magnesio, zinco).

I grani nei policristalli non sono monolitici, ma sono costituiti da grani secondari separati, che sono ruotati l'uno rispetto all'altro di un piccolo angolo. Un sottograno è un poliedro che contiene un piccolo numero di dislocazioni o nessuna. Le principali caratteristiche dei sottograni: tipo, localizzazione, struttura, densità di dislocazione. Molte dislocazioni si formano a causa del taglio meccanico.

I confini dei sottograni e dei grani nei metalli sono divisi in angoli bassi e angoli alti. I confini ad angolo basso si osservano tra i sottograni e hanno una struttura di dislocazione. Un confine ad angolo basso può essere rappresentato da una serie di dislocazioni di bordi paralleli. La formazione di sottograni con dislocazioni ad angolo basso è chiamata poligonizzazione. La struttura dei confini ad alto angolo è più complessa. I sottoconfini sono formati da alcuni sistemi di dislocazioni. A seconda del materiale e dell'effetto che l'ambiente ha su di esso, si trova la posizione delle dislocazioni. Se il metallo è leggermente deformato, i piani di scorrimento sono il luogo di accumulo di dislocazioni. Se, invece, metalli come alluminio e ferro sono soggetti a forti deformazioni, le dislocazioni si presentano sotto forma di complessi plessi: spazi, reti.

La struttura, in cui i grani secondari sono orientati in modo errato l'uno rispetto all'altro con un angolo di 15-300, è a blocchi oa mosaico.

La densità delle dislocazioni in un metallo aumenta con un aumento dell'angolo di disorientamento dei sottograni e una diminuzione delle loro dimensioni. Gli atomi situati ai bordi dei grani e gli atomi sulla superficie del cristallo, a causa delle forze non compensate dell'interazione interatomica, hanno un'energia potenziale maggiore rispetto agli atomi nel volume dei sottograni. La presenza di dislocazioni influisce sulle proprietà di resistenza dei metalli. Secondo calcoli teorici, il limite elastico dei metalli puri è 1000 volte superiore a quello reale e il limite elastico dell'acciaio è 100 volte superiore.

3. Microscopia ottica; caratteristiche quantitative della microstruttura

Per studiare la struttura interna delle leghe viene utilizzata un'ampia varietà di metodi, la maggior parte dei quali si basa su principi fisici.

Lo studio della struttura dei metalli inizia con l'aiuto di un metodo semplice e comune nei laboratori scientifici e industriali: la microscopia ottica (metodo metallografico). Per la prima volta, lo studio dei metalli mediante microscopio è stato effettuato da P.P. Anosov. Era impegnato nello studio dell'acciaio damascato.

La microscopia ottica viene utilizzata per studiare la dimensione, la forma, la disposizione dei grani, i difetti nella struttura cristallina (gemelli, dislocazioni) e viene anche utilizzata per prevedere il comportamento dei metalli in condizioni operative.

Tutti i metalli sono sostanze opache (alla luce visibile). La forma dei cristalli, la loro dimensione e posizione sono studiati su microsezioni appositamente realizzate. In questo caso, viene eseguito un taglio di metallo nel piano di interesse per il ricercatore, il piano risultante viene rettificato e lucidato.

È possibile applicare sia la macinazione grossolana che quella fine, in modo da eliminare le irregolarità della superficie della sezione. La molatura viene eseguita prima della lucidatura. Per ottenere una superficie piana, è necessario cambiare la direzione di movimento dei campioni di 90° quando si cambia l'abrasivo. La macinazione va proseguita fino alla scomparsa dei rischi dell'operazione precedente. In base ai risultati della rettifica, la rugosità superficiale dovrebbe essere inferiore a 0,08 micron.

La lucidatura viene eseguita in modo da ottenere una superficie speculare del campione. La lucidatura può essere meccanica, elettrochimica e chimico-meccanica.

La rettifica meccanica viene eseguita mediante una macchina con mola rotante, ricoperta di materiale lucidante. Particelle abrasive vengono applicate a questo materiale.

La lucidatura chimico-meccanica viene eseguita utilizzando particelle abrasive ed elementi chimici.

La lucidatura elettrochimica viene eseguita in un bagno di elettroliti. La corrente viene utilizzata per levigare la superficie.

Durante la molatura e la lucidatura meccanica, si verifica una deformazione plastica della superficie del campione. A seconda della durezza del materiale, la profondità della deformazione superficiale può arrivare fino a 25 micron.

Dopo la macinazione e la lucidatura, il campione lavorato viene immerso in acqua, quindi in alcool, dopodiché viene asciugato con carta da filtro.

Per rivelare la struttura, viene creato un rilievo o i componenti strutturali sono dipinti in diversi colori, che si ottiene mediante incisione chimica. Quando si incide, l'acido agisce sui bordi del grano, perché ci sono punti con una struttura difettosa, che diventeranno depressioni nella sezione incisa; la luce che cade su di loro è diffusa e nel campo visivo del microscopio appariranno scuri e il corpo del grano - chiaro.

Per esaminare le microsezioni nello studio della microstruttura dei metalli si utilizzano speciali microscopi, nei quali il raggio della sorgente luminosa, riflesso dalla sezione, passa attraverso l'obiettivo e l'oculare, conferendo un ingrandimento adeguato.

L'ingrandimento totale di un microscopio è uguale al prodotto degli ingrandimenti dell'obiettivo e dell'oculare.

Al microscopio su una microsezione dopo la lucidatura, puoi vedere microfessure e inclusioni non metalliche (grafite nelle ghise, ossidi). Per rivelare la microstruttura stessa del metallo, la superficie della sezione sottile viene incisa, cioè trattata con reagenti speciali, la cui composizione dipende dalla composizione del metallo. Il rilevamento della microstruttura durante l'incisione si basa sul fatto che diverse fasi sono incise in modo diverso e colorate in modo diverso. Come risultato dell'incisione di microsezioni di metalli puri, è possibile rivelare la forma e la dimensione dei singoli grani. La microanalisi consente di stabilire la dimensione, la forma e l'orientamento dei grani, le singole fasi e componenti strutturali, i cambiamenti nella struttura interna dei metalli e delle leghe a seconda delle condizioni per la loro produzione e lavorazione.

Per esaminare i dettagli della struttura, viene utilizzato un microscopio elettronico, in cui l'immagine viene formata utilizzando un flusso di elettroni in volo veloce. Esistono metodi diretti e indiretti per studiare la struttura. I metodi indiretti si basano su una tecnica speciale per la preparazione di impronte a film sottile che riflettono il rilievo di una sezione incisa. Esaminando la replica risultante, si osservano i dettagli della struttura, la loro dimensione minima è di 2-5 nm. I metodi diretti consentono di studiare lamine metalliche sottili fino a 300 nm di spessore in trasmissione utilizzando microscopi elettronici ad alta risoluzione (microscopi UEMV-100, UEMV-100A, UEMV-100V).

Un microscopio ottico non è un apparato in grado di rilevare un cristallo di qualsiasi dimensione.

La metallografia quantitativa deve affrontare alcune difficoltà. Pertanto, il problema di determinare i parametri quantitativi di un oggetto tridimensionale studiando la sua sezione bidimensionale viene risolto in diversi modi. Utilizzando il metodo comparativo e il metodo della lunghezza media del segmento che attraversa il grano, si determina la dimensione dei grani di metallo.

Oggi viene utilizzato un sistema automatizzato per lo studio di microsezioni di metalli, che include l'uso di un microscopio, una videocamera, un video blaster e un personal computer.

4. Cella unitaria; numero di coordinazione; sintonia

Direzioni e piani cristallografici, anisotropia; distanze interplanari Un reticolo cristallino è una disposizione ordinata di atomi. La cella unitaria di un cristallo è il volume minimo di un cristallo che conserva completamente tutte le sue proprietà. Gli atomi nel reticolo sono disposti in modo diverso.

La cella unitaria si ripete in tre dimensioni e forma un reticolo cristallino. La struttura di un cristallo è determinata dalla posizione degli atomi nella cella unitaria.

Numero di coordinazione: il numero totale di molecole e ioni neutri che hanno un legame con lo ione centrale nel complesso.

1. Gli elementi del quarto gruppo hanno un legame covalente saturo e diretto e ogni atomo ha quattro vicini. Il numero di vicini più prossimi è il numero di coordinamento. Il reticolo elementare è un tetraedro con un atomo al centro e quattro atomi ai vertici.

2. Quando si forma un legame ionico, i reticoli cristallini sono più compatti, il numero di coordinazione raggiunge 6 a causa dell'insaturazione del legame ionico. Esempio: il reticolo cristallino di NaCI è un cubo primitivo con ioni cloruro e sodio ai vertici.

3. I legami metallici rendono i reticoli cristallini più compatti. I numeri di coordinazione raggiungono i valori di 8 e 12. Nei materiali metallici si formano tre tipi di reticoli cristallini: cubico centrato sul corpo (bcc), cubico centrato sulla faccia (fcc) ed esagonale compatto (HP).

Syngony - una delle divisioni dei cristalli sulla base della simmetria della loro cella elementare con gli stessi sistemi di assi coordinati. Syngony caratterizza la simmetria di strutture tridimensionali con simmetria traslazionale in tre direzioni.

Si distinguono sette sistemi assiali a seconda della lunghezza dei segmenti tagliati sugli assi cristallografici e della posizione relativa di questi assi.

1. Singonia cubica. Tre assi uguali si intersecano ad angolo retto.

2. Singonia tetragonale. Due segmenti dell'asse della stessa lunghezza si intersecano ad angolo retto, il terzo asse è perpendicolare ad essi e il segmento tagliato su di esso è di lunghezza diversa.

3. Singonia rombica. Tre assi di diverse lunghezze si intersecano ad angolo retto.

4. Singonia monoclina. Due assi di diverse lunghezze si intersecano ad angolo obliquo, il terzo asse forma un angolo retto con essi.

5. Singonia triclinica. Tre assi di diverse lunghezze si intersecano ad angoli obliqui.

6. Singonia trigonale. Tre segmenti degli assi di uguale lunghezza si intersecano in un piano con un angolo di 60 ° C, il terzo asse è perpendicolare a questo piano e il segmento tagliato su di esso ha una lunghezza diversa.

7. Singonia esagonale. La posizione degli assi è simile alla loro posizione nella singonia trigonale.

L'ordine della disposizione degli atomi nel reticolo cristallino consente di individuare singole direzioni e piani cristallografici.

Direzioni cristallografiche: raggi diretti provenienti da qualsiasi punto di riferimento, lungo il quale si trovano gli atomi. I punti di riferimento sono i vertici del cubo. Direzioni cristallografiche - spigoli e diagonali delle facce del cubo. Potrebbero esserci altre direzioni. I piani cristallografici sono piani su cui giacciono gli atomi.

Le direzioni e i piani cristallografici sono caratterizzati da indici di Miller, che ne determinano le varie posizioni. I piani paralleli nel reticolo cristallino, costruiti in modo identico, hanno gli stessi indici. Affinché gli indici possano essere ottenuti da interi semplici, il piano può essere spostato in parallelo. La posizione di qualsiasi nodo del reticolo cristallino rispetto a un'origine scelta arbitrariamente è determinata impostando le coordinate x, y, z. Per una cella elementare, queste coordinate sono uguali ai parametri del reticolo a, b, c, rispettivamente.

Per determinare l'indice, trova le coordinate dell'atomo più vicino al punto di riferimento, che giace in questa direzione, espresse in termini di parametro reticolo.

Tutte le proprietà fisiche, inclusa la forza, dei metalli lungo diverse direzioni cristallografiche dipendono dal numero di atomi situati nelle direzioni menzionate. Ci sono diversi numeri di atomi nel reticolo cristallino in direzioni diverse. Nelle sostanze cristalline si dovrebbe osservare l'anisotropia, cioè proprietà disuguali lungo direzioni diverse.

L'anisotropia - il risultato di una disposizione ordinata degli atomi nei corpi cristallini, si manifesta all'interno di un singolo cristallo. I veri metalli sono corpi policristallini, inclusi numerosi grani arbitrariamente orientati l'uno verso l'altro dalle loro direzioni e piani cristallografici. L'anisotropia delle proprietà meccaniche si osserva quando si testano campioni tagliati lungo diverse direzioni cristallografiche.

I metalli reali hanno un'isotropia media e sono chiamati corpi quasi-isotropi o pseudo-isotropi

Distanza interplanare - la distanza più breve che separa i piani nodali paralleli e equidistanti.

5. Classificazione dei difetti nella struttura cristallina. Difetti puntuali, dipendenza della loro concentrazione dalla temperatura. Lussazioni dei bordi e delle viti

Un singolo cristallo può essere cresciuto da una fusione liquida. Un monocristallo è un pezzo di metallo da un singolo cristallo. I metalli e le leghe, che si ottengono in condizioni normali, sono costituiti da un gran numero di cristalli e hanno una struttura policristallina. Questi cristalli sono chiamati grani e sono di forma irregolare. Ogni grano ha il proprio orientamento del reticolo cristallino e differisce dall'orientamento dei grani vicini.

La struttura cristallina interna del grano non è corretta. Ci sono difetti (imperfezioni) nei reticoli cristallini dei metalli che rompono i legami tra gli atomi e influenzano le proprietà dei metalli. Tutti i difetti del reticolo sono violazioni dell'impilamento degli atomi nel reticolo. Le imperfezioni superficiali sono i confini dei grani metallici. Si distinguono le seguenti imperfezioni strutturali: difetto reticolare, puntiforme, piccolo, lineare, piatto. I difetti del cristallo modificano in modo significativo le proprietà fisiche, meccaniche, chimiche e tecnologiche dei metalli.

I difetti puntuali includono posti vacanti (siti vuoti), atomi interstiziali estranei. Più alta è la temperatura, più difetti.

Gli atomi di impurità sono una delle imperfezioni più comuni nella struttura cristallina (vacanze, atomi dislocati).

I posti vacanti sono un nodo vuoto del reticolo cristallino, che si forma per vari motivi. Le fonti di posti vacanti sono i bordi dei grani in cui viene violata la corretta disposizione degli atomi. Il numero di posti vacanti e la loro concentrazione dipendono dalla temperatura di lavorazione. Il numero di posti vacanti aumenta con l'aumentare della temperatura. Singoli posti vacanti si incontrano quando ci si sposta attraverso il cristallo e si combinano in coppie, formando divacanze, mentre la loro superficie totale diminuisce, la stabilità della vacanza accoppiata aumenta ed è possibile la formazione di trivacanze e intere catene.

Gli atomi dislocati sono atomi che hanno lasciato il nodo del reticolo cristallino e hanno preso posto negli interstizi. Si riferisce a difetti puntuali.

Gli atomi di impurità occupano il posto degli atomi principali nel reticolo cristallino o vengono introdotti nella cellula (una specie di difetto puntuale).

Se viene violata la correttezza della struttura cristallina attorno a posti vacanti, atomi dislocati e atomi di impurità, viene violato anche l'equilibrio dei campi di forza degli atomi in tutte le direzioni. Tutti i cambiamenti non sono altro che pochi diametri atomici. I difetti puntuali interagiscono tra loro. C'è un'interazione di difetti puntuali e con difetti lineari - dislocazioni.

I difetti lineari sono piccoli nelle due dimensioni, nella terza sono più grandi, che possono essere commisurati alla lunghezza del cristallo. I difetti lineari includono catene di posti vacanti, atomi interstiziali e dislocazioni. Le lussazioni possono essere abbastanza estese in una direzione e avere una piccola estensione nella direzione opposta. La resistenza e la duttilità dei metalli dipendono direttamente dalla presenza di dislocazioni.

Imperfezioni lineari - dislocazioni, sono un tipo speciale di imperfezioni nel reticolo cristallino. Una caratteristica della struttura della dislocazione è la densità delle dislocazioni.

Attualmente sono noti vari meccanismi di formazione della dislocazione. Le lussazioni possono insorgere durante la crescita dei grani, durante la formazione dei sottograni. È stato stabilito sperimentalmente che i confini dei grani e dei blocchi hanno un'alta densità di dislocazioni. Durante la cristallizzazione da un fuso, è energeticamente favorevole quando il nucleo cresce con la formazione di una dislocazione a vite sulla sua superficie. Promuovere la formazione di dislocazioni e la segregazione delle impurità. In un metallo solidificato, le dislocazioni sorgono a causa dell'accumulo di posti vacanti.

La regione dell'imperfezione del cristallo attorno al bordo dell'extrapiano è chiamata dislocazione del bordo (lineare). Una dislocazione del bordo rappresenta un campo di sollecitazioni elastiche in rapido decadimento nel reticolo cristallino attorno al bordo dell'extrapiano, causato dal fatto che sopra questo bordo i parametri del reticolo sono in qualche modo compressi e sotto, rispettivamente, sono allungati. In una dimensione, la lunghezza della dislocazione ha un carattere macroscopico (una dislocazione può rompersi solo al confine del cristallo - è il confine della zona di taglio). Il movimento della dislocazione del bordo è conservativo.

Se l'extrapiano si trova nella parte superiore del cristallo, la dislocazione è detta positiva; se l'extrapiano si trova nella parte inferiore del cristallo, allora si dice negativo.

Le dislocazioni delle viti si formano se due parti del cristallo vengono spostate verso il piano di accumulo dei posti vacanti.

Se una dislocazione della vite è formata dalla rotazione in senso orario, viene chiamata destra, se in senso antiorario - a sinistra. Il posto vacante e gli atomi interstiziali non scorrono verso la dislocazione della vite. È anche possibile la formazione di dislocazioni parziali e miste. La formazione di dislocazioni aumenta l'energia del cristallo.

Le dislocazioni contribuiscono ad aumentare lo stress interno nei metalli. L'uso della luce polarizzata consente di rivelare i campi di stress che sorgono attorno alle dislocazioni.

6. Diffusione nei metalli

La diffusione è il trasferimento di materia dovuto al movimento termico casuale delle particelle che si diffondono. Quando un gas si diffonde, le sue molecole cambiano la loro direzione di movimento quando entrano in collisione con altre molecole.I principali tipi di movimento durante la diffusione nei solidi sono salti periodici casuali di atomi da un sito del reticolo cristallino a un sito vicino o vacante.

Lo sviluppo del processo di diffusione porta alla formazione di uno strato di diffusione, inteso come uno strato del materiale della parte prossima alla superficie di saturazione, che differisce da quello iniziale per composizione chimica, struttura e proprietà.

Il moto di diffusione di qualsiasi atomo è una passeggiata aleatoria a causa della grande ampiezza delle oscillazioni, che non dipende dal moto di altri atomi, né dal moto precedente di questo atomo. Le vibrazioni indipendenti dalla temperatura degli atomi attorno alla posizione di equilibrio si verificano di solito con una frequenza di ~ 10¹³ с^-1

La questione della determinazione del meccanismo di diffusione è molto complessa. Un ruolo importante nella risoluzione di questo problema è stato svolto dalle opere di Ya.I. Frenkel, che mostra l'enorme influenza dei difetti nel reticolo cristallino, in particolare le vacanze, sul processo di movimento di diffusione degli atomi. Il più difficile è il semplice meccanismo di scambio di diffusione, e il più probabile è il meccanismo di vacanza. Ad ogni meccanismo di diffusione corrisponde una certa energia di attivazione Q, cioè il valore della barriera energetica che un atomo deve superare quando si sposta da una posizione all'altra.

Il movimento sotto il meccanismo di diffusione dell'affollamento è simile alla propagazione di un'onda: ogni atomo viene spostato di una piccola quantità e la perturbazione si propaga rapidamente. Per la diffusione, le vacanze e le loro associazioni (bivacanze, complessi di atomi di vacanza-impurità), così come i difetti che sono le loro fonti (lineari e superficiali) sono di grande importanza.

Il principale meccanismo di autodiffusione e diffusione in soluzioni solide sostitutive è il meccanismo del posto vacante. Nelle soluzioni solide interstiziali, il meccanismo principale per il movimento di piccoli atomi di impurità è interstiziale.

Se due pezzi ben collegati di metalli puri A e B vengono ricotti per lungo tempo, si osserverà la reciproca penetrazione dei metalli e uno spostamento dell'interfaccia iniziale contrassegnata da segni inerti (particelle di ossido o fili di tungsteno) di un valore Δx, che è direttamente proporzionale alla radice quadrata del tempo di ricottura. Se D_А > D_В, quindi il componente A penetra in B a una velocità maggiore di B in A, per cui la parte B del campione aumenta di volume.

La metallizzazione per diffusione è il processo di saturazione per diffusione della superficie di prodotti con metalli o metalloidi. La saturazione per diffusione viene effettuata in una miscela di polvere, mezzo gassoso o metallo fuso (se il metallo ha un basso punto di fusione).

Noioso: la saturazione per diffusione della superficie di metalli e leghe con boro per aumentare la durezza, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'usura viene effettuata mediante elettrolisi in sale di boro fuso. La bordatura fornisce una durezza superficiale particolarmente elevata, resistenza all'usura, aumenta la resistenza alla corrosione e la resistenza al calore. Gli acciai al boro hanno un'elevata resistenza alla corrosione in soluzioni acquose di acido cloridrico, solforico e fosforico. La bordatura viene utilizzata per parti in ghisa e acciaio che operano in condizioni di attrito in un ambiente aggressivo (nell'ingegneria chimica).

Cromatura - la saturazione per diffusione con cromo viene effettuata in miscele in polvere di cromo o ferrocromo con l'aggiunta di cromo ammonio (1%) e ossido di alluminio (49%) a una temperatura di 1000 ... 1050 ° C con un'esposizione di 6 ... 12 ore La cromatura viene utilizzata per parti soggette a usura in ambienti con vapore acqueo e aggressivi (raccordi, valvole). Durante la cromatura di prodotti in acciaio a basso tenore di carbonio, la durezza aumenta e si acquisisce una buona resistenza alla corrosione.

L'alluminizzazione è un processo di saturazione per diffusione dello strato superficiale con alluminio, effettuato in miscele di alluminio in polvere o in alluminio fuso. L'obiettivo è ottenere un'elevata resistenza al calore della superficie delle parti in acciaio. L'alluminizzazione viene effettuata in mezzi solidi e liquidi.

Siliconizzazione: la saturazione per diffusione con silicio viene effettuata in atmosfera gassosa. Lo strato saturo di silicio della parte in acciaio non ha una durezza molto elevata, ma un'elevata resistenza alla corrosione e una maggiore resistenza all'usura in acqua di mare, acido nitrico, acido cloridrico in acido solforico. Le parti siliconate sono utilizzate nell'industria chimica, della cellulosa e della carta e nell'industria petrolifera. Per aumentare la resistenza al calore, la siliconatura viene utilizzata per prodotti realizzati con leghe a base di molibdeno e tungsteno, che hanno un'elevata resistenza al calore.

Nella scienza dei materiali si stanno sviluppando teorie di diffusione macro e microscopiche. Nella teoria macroscopica, l'accento è posto sul formalismo, cioè sulle forze e sui parametri termodinamici. La teoria microscopica utilizza meccanismi basati sulla teoria dei salti atomici.

7. Transizioni di fase del primo e del secondo tipo

I componenti allo stato liquido (componenti A) sono infinitamente solubili, i componenti allo stato solido (componenti B) non formano composti chimici e sono insolubili.

I diagrammi di stato rappresentano un grafico nelle coordinate della lega - temperatura, che riflette i prodotti formati a seguito dell'interazione dei componenti della lega tra loro in condizioni di equilibrio termodinamico a diverse temperature. Si tratta di sostanze che, a seconda della temperatura e della composizione, hanno un certo stato di aggregazione, una specificità della struttura e determinate proprietà, si chiamano fasi. Una fase è una parte omogenea della lega, che ha la stessa composizione, struttura e proprietà. La fase liquida è una soluzione di componenti fusi. Le fasi solide sono grani che hanno una certa forma, dimensione, composizione, struttura e proprietà specifiche. Si tratta di soluzioni solide, composti chimici e grani di componenti puri che non formano né soluzioni solide né composti chimici con altri componenti.

Il diagramma di stato, che mostra lo stato limite delle leghe, può essere suddiviso in aree. Le aree separate sono costituite da una fase e alcune da due, hanno composizioni, strutture e proprietà diverse. I diagrammi di stato contengono le informazioni necessarie per creare ed elaborare le leghe.

Diagramma di stato del primo tipo. Regola del segmento. Questo diagramma copre le leghe i cui componenti formano miscele dei loro grani praticamente puri con solubilità reciproca trascurabile.

Una lega di due componenti che fonde a una temperatura minima è chiamata eutettica o eutettica. L'eutettico è una miscela uniforme di piccoli grani cristallizzati contemporaneamente di entrambi i componenti. La temperatura alla quale entrambi i componenti fondono contemporaneamente è chiamata temperatura eutettica.

Il passaggio delle leghe dallo stato liquido allo stato solido durante la cristallizzazione avviene nell'intervallo di temperatura compreso tra la linea di liquidus e la temperatura eutettica, che corrisponde alla linea di solidus.

Tutti i cambiamenti quantitativi nelle leghe durante la cristallizzazione sono soggetti alla regola dei segmenti. A seconda della composizione, tutte le leghe sono divise in ipoeutettiche e ipereutettiche. Le leghe ipoeutettiche contengono componente A superiore a (100-Ve)%. In essi, è un componente ridondante. Nelle leghe ipereutettiche, il componente B è ridondante (la sua quantità supera Be).

La quantità di ogni componente strutturale è calcolata secondo la regola dei segmenti in relazione alla temperatura eutettica.

Diagramma di stato del secondo tipo. Segregazione dendritica. Con la solubilità illimitata dei componenti l'uno nell'altro, che hanno gli stessi tipi di reticoli e una struttura simile dei gusci di elettroni esterni, si ottengono diagrammi del secondo tipo.

Ci sono tre regioni di fase nel diagramma:

1. Sopra la linea di liquidus ADB c'è la regione della fase liquida G.

2. Al di sotto di essa, fino alla linea di solidus ADB, c'è una regione bifasica b + G. La fase b è una soluzione solida dei componenti A e B, i grani hanno un unico reticolo cristallino. Tuttavia, per leghe di diversa composizione, il numero di atomi dei componenti A e B nelle celle unitarie del reticolo è diverso.

3. L'area posta sotto la linea del solidus è monofase (fase b).

A differenza delle leghe di miscele di grani di componenti praticamente puri, ciascuna delle leghe solidificate sul diagramma di fase rappresenta un insieme di grani di fase che non differiscono l'uno dall'altro esternamente.

Nel caso di raffreddamento accelerato della lega durante la cristallizzazione, i processi di diffusione non hanno il tempo di completarsi e la parte centrale di ciascun grano si arricchisce di un componente più refrattario e la parte periferica si arricchisce di un componente fusibile (A). Questo fenomeno è chiamato segregazione dendritica, che riduce le proprietà di resistenza delle leghe. La sua prevenzione è possibile grazie al lento raffreddamento della lega, che ne assicura la cristallizzazione di equilibrio.

Se si verifica la segregazione dendritica, viene eliminata mediante ricottura per diffusione prolungata della lega. I processi di diffusione che avvengono in questo caso equalizzano la composizione chimica nei grani.

Durante la deformazione plastica di un materiale metallico, una forza esterna deve vincere la resistenza al movimento di dislocazione, che è determinata dal valore della forza di Peierls-Nabarro. Questa forza dipende dall'intensità dell'interazione interatomica nel reticolo cristallino della lega.

Gli atomi del componente solubile formano un legame metallico più forte con gli atomi del componente solvente nel reticolo della soluzione solida che nei reticoli di entrambi i componenti puri. Per questo motivo, la resistenza alla deformazione plastica di una soluzione solida con un aumento del contenuto di un altro componente disciolto in essa dovrebbe aumentare secondo una legge curvilinea.

8. Fusione dei metalli e struttura dei fusi

La fusione è il processo fisico di transizione di un metallo dallo stato solido a quello liquido. La fusione è un processo che è l'inverso della cristallizzazione, avviene a una temperatura superiore all'equilibrio, cioè durante il surriscaldamento. Poiché il metallo liquido ha più energia interna del metallo solido, il calore viene rilasciato durante la cristallizzazione. Esiste una certa relazione tra il calore Q e la temperatura di cristallizzazione Tk. Il grado di surriscaldamento durante la fusione dei metalli non supera alcuni gradi.

Allo stato liquido, gli atomi di una sostanza si muovono in modo casuale a causa del movimento termico, nel liquido ci sono gruppi di atomi di piccolo volume, al loro interno la disposizione degli atomi è simile alla disposizione nel reticolo cristallino. Questi raggruppamenti sono instabili, si dissolvono e riappaiono nel liquido. Quando il liquido è superraffreddato, alcuni grandi gruppi diventano stabili e capaci di crescere. Questi gruppi stabili di atomi sono chiamati centri di cristallizzazione (nuclei). Per implementare il processo di fusione, è necessario avere un certo surriscaldamento al di sopra della temperatura di equilibrio, cioè un potenziale termodinamico. Al di sopra della temperatura di equilibrio, un metallo liquido è più stabile, ha una minore riserva di energia libera. Al di sotto di questa temperatura, il metallo solido è più stabile. Alla temperatura di equilibrio le energie libere dello stato liquido e solido sono le stesse, quindi, a questa temperatura, entrambe le fasi (liquido e solido) possono coesistere contemporaneamente e, inoltre, per un tempo infinitamente lungo. La temperatura di equilibrio è molto vicina al punto di fusione Tm, con il quale viene spesso confrontata. Dopo il raffreddamento, il passaggio da uno stato liquido a uno solido è accompagnato dalla formazione di un reticolo cristallino, cioè la cristallizzazione. Per indurre la cristallizzazione, il metallo liquido deve essere superraffreddato a una temperatura inferiore al suo punto di fusione.

I liquidi a una temperatura prossima al punto di fusione sono chiamati fusi. I fusi sono metallici, ionici, semiconduttori, organici e ad alto polimero. A seconda di quali composti chimici formano fusi, vengono isolati soluzione salina, ossido, ossido-silicato e altri fusi.

La maggior parte dei fusi contiene particelle a forma di sbieco.

Nel processo di fusione, i legami chimici nei fusi subiscono modifiche. Nei semiconduttori si osserva la formazione di conducibilità metallica; in alcuni alogenuri, invece della conduttività ionica, si verifica una diminuzione della conduttività elettrica dovuta alla formazione di un fuso con una composizione molecolare. Il livello di temperatura influisce anche sul tipo di legame nei fusi.

Anche il numero di coordinazione medio e le distanze interatomiche sono caratteristiche dei fusi. Nel processo di fusione dei metalli, il numero di coordinazione diminuisce di circa il 10-15%. Allo stesso tempo, le distanze interatomiche rimangono le stesse. Quando i semiconduttori vengono fusi, il loro numero di coordinazione aumenta di 1,5 volte, aumenta anche la distanza tra gli atomi. I fusi multicomponenti sono caratterizzati da stati metastabili di non equilibrio, correlati alla struttura delle fasi solide iniziali.

In molti casi, c'è un ritardo (isteresi) nelle proprietà dei fusi nel processo di variazione della temperatura. Le proprietà e le strutture dei fusi sono influenzate dai seguenti fattori: temperatura, tempo di mantenimento, tasso di fluttuazione della temperatura, materiale di cui è composto il contenitore e presenza di impurità.

La composizione dei fusi si distingue per la sua complessità. I fusi ionici possono contenere ioni semplici o complessi, molecole non dissociate e polimeriche, nonché volumi liberi. I fusi di silicato possono contenere tetraedri silicio-ossigeno isolati e le catene, gli anelli, le reti e le strutture che formano.

È piuttosto difficile formare un modello univoco della struttura dei fusi, poiché i fusi contengono diversi tipi di particelle e legami. La funzione principale dei modelli è la definizione e l'interpretazione delle proprietà dei fusi, nonché il calcolo delle proprietà.

Le colate nel campo metallurgico si dividono in intermedi, sottoprodotti e prodotti finali. Usando i fusi come elettroliti, i metalli vengono prodotti e raffinati nella metallurgia, così come vengono applicati i rivestimenti. Molte leghe si formano durante la fusione. Cristalli singoli e film epitassiali vengono coltivati da fusi. È consuetudine utilizzare metalli, sale e ossidi fusi come catalizzatori. I fusi salini sono utilizzati in bagni di ricottura e indurimento, celle a combustibile ad alta temperatura, come vettori di calore, flussi nel processo di saldatura e saldatura di metalli, mezzi di reazione nella sintesi inorganica e organica, nonché assorbitori, estraenti, ecc. Alcuni fusi sono utilizzato per ottenere silicati, fluoruri e altri cumuli speciali e metalli amorfi.

9. Cristallizzazione dei metalli; nucleazione di cristalli, germe critico; nucleazione omogenea ed eterogenea dei cristalli; crescita dei cristalli. Curve Tamman

La cristallizzazione è il processo di transizione di un metallo da uno stato liquido a uno solido con la formazione di una struttura cristallina. In natura tutte le trasformazioni spontanee, cristallizzazione e fusione, sono dovute al fatto che il nuovo stato in nuove condizioni è energeticamente più stabile e ha una minore riserva di energia.

La transizione di un metallo dallo stato liquido o di vapore allo stato solido con la formazione di una struttura cristallina è chiamata cristallizzazione primaria. La formazione di nuovi cristalli in una sostanza cristallina solida è chiamata cristallizzazione secondaria. Il processo di cristallizzazione consiste in due processi simultanei di nucleazione e crescita dei cristalli. I cristalli possono nuclearsi spontaneamente - cristallizzazione spontanea o crescere su centri di cristallizzazione già pronti esistenti - cristallizzazione non spontanea.

È possibile tracciare il processo di cristallizzazione del metallo utilizzando un contatore del tempo e un pirometro termoelettrico. Due fili dissimili, saldati alle estremità, sono immersi nel metallo fuso e la corrente termica risultante è proporzionale alla temperatura del metallo, e l'ago del millivoltmetro devia, indica la temperatura su un'apposita scala graduata. Le letture del pirometro vengono registrate nel tempo e, in base ai dati ottenuti, vengono costruite curve di raffreddamento nelle coordinate temperatura-tempo. Il punto critico è la temperatura che corrisponde a qualsiasi trasformazione nel metallo.

Dopo il raffreddamento, il passaggio da uno stato liquido a uno solido è accompagnato dalla formazione di un reticolo cristallino, cioè la cristallizzazione. Per indurre la cristallizzazione, il metallo liquido deve essere superraffreddato a una temperatura inferiore al suo punto di fusione. Durante la solidificazione e durante la trasformazione allotropica nel metallo, si formano dapprima centri di cristallizzazione, attorno ai quali si raggruppano gli atomi, formando il corrispondente reticolo cristallino. Il processo di cristallizzazione consiste in due fasi: la formazione dei centri di cristallizzazione e la crescita dei cristalli. In ciascuno dei cristalli emergenti, i piani cristallografici sono orientati in modo casuale, inoltre, durante la cristallizzazione primaria, i cristalli possono ruotare, poiché sono circondati da liquido. I cristalli adiacenti crescono l'uno verso l'altro e i loro punti di collisione definiscono i confini dei cristalliti (grani).

Le sostanze amorfe hanno curve di raffreddamento lisce, senza aree e sporgenze: è chiaro che queste sostanze non possono avere allotropia. Il meccanismo di cristallizzazione del metallo è che con una corrispondente diminuzione della temperatura all'interno del crogiolo con metallo liquido, iniziano a formarsi dei piccoli cristalli, chiamati centri di cristallizzazione o nuclei.

Per avviare la crescita dei cristalli di metallo liquido, è necessario che l'energia libera del metallo

diminuito. Se, a seguito della formazione di un nucleo, l'energia libera del metallo aumenta, il nucleo si dissolve. La dimensione minima di un germe in grado di crescere è chiamata dimensione critica del germe e tale germe è chiamato stabile.

Maggiore è il grado di superraffreddamento, che abbassa l'energia libera del metallo, minore è la dimensione critica del nucleo.

I cristalli iniziano a crescere attorno ai centri formati. Man mano che i cristalli crescono nel metallo, che è ancora allo stato liquido, continuano ad apparire nuovi centri di cristallizzazione. Ciascuno dei nuovi cristalli in crescita è orientato casualmente nello spazio.

I cristalli di forma irregolare sono chiamati grani o cristalli. I solidi, compresi i metalli, costituiti da un gran numero di grani, sono chiamati policristallini.

D.V. Chernov ha stabilito che il processo di cristallizzazione consiste in due processi elementari: la nucleazione dei centri di cristallizzazione e la crescita dei cristalli da questi centri. Molto più tardi, Tamman, studiando il processo di cristallizzazione, stabilì la dipendenza del numero di centri di cristallizzazione e della velocità di crescita dei cristalli dal grado di superraffreddamento.

Mentre i cristalli formati crescono liberamente, hanno una forma geometrica più o meno regolare. Tuttavia, quando i cristalli in crescita si scontrano, la loro forma regolare viene violata, poiché la crescita delle facce si interrompe in queste aree. La crescita continua in quelle direzioni dove c'è libero accesso al fluido di "alimentazione". Di conseguenza, i cristalli in accrescimento, che inizialmente hanno una forma geometricamente regolare, dopo la solidificazione acquisiscono una forma esterna irregolare e sono quindi chiamati cristalliti o grani.

La crescita dei nuclei avviene come risultato della transizione degli atomi da un liquido superraffreddato ai cristalli. Il cristallo cresce a strati, ogni strato ha uno spessore di un atomo. Ci sono due processi elementari di crescita dei cristalli.

Formazione di un embrione bidimensionale.

Crescita di un nucleo bidimensionale mediante la fornitura di atomi da un liquido superraffreddato. Dopo la formazione di un nucleo bidimensionale su una faccia piana, l'ulteriore crescita di un nuovo strato procede in modo relativamente semplice, poiché appaiono regioni convenienti per fissare gli atomi che passano dal liquido.

10. Struttura del lingotto e leghe amorfe

La struttura di un lingotto d'acciaio fu data per la prima volta nel 1878 da D.K. Chernov. La struttura del lingotto fuso è composta da tre zone principali. La prima zona è la crosta esterna a grana fine, costituita da piccoli cristalli disorientati - dendriti.

La seconda zona dei lingotti è la zona dei cristalli colonnari. Dopo la formazione della crosta stessa, le condizioni per la rimozione del calore

cambiamento, il gradiente di temperatura diminuisce e il grado di sottoraffreddamento dell'acciaio diminuisce. La terza zona del lingotto è la zona dei cristalli equiassiali.

I cristalli che si formano durante la solidificazione del metallo hanno una forma diversa a seconda della velocità di raffreddamento, della natura e della quantità di impurità. Più spesso, durante il processo di cristallizzazione, si formano cristalli ramificati (a forma di albero), chiamati dendriti per via della loro forma, che ricorda la forma di un albero. Questa forma di cristalli è spiegata dal fatto che i nuclei che si sono formati nel metallo liquido crescono nella direzione con una distanza minima tra gli atomi. Così si formano gli assi del primo ordine. Contemporaneamente all'allungamento degli assi del primo ordine, gli assi del secondo ordine si nucleano e crescono sui loro bordi perpendicolari ad essi a determinati angoli, dai quali crescono già gli assi del terzo ordine e, infine, si formano cristalli sotto forma di dendriti. La struttura dendritica viene rivelata dopo un'incisione speciale di sezioni sottili, poiché tutti gli spazi tra i rami dei dendriti sono riempiti e di solito sono visibili solo le giunzioni dei dendriti sotto forma di bordi di grano. La forma corretta dei dendriti è distorta a causa della collisione e dell'accrescimento delle particelle nelle fasi successive del processo. La struttura dendritica è caratteristica della macro e microstruttura del metallo fuso (lega).

A contatto con la parete fredda dello stampo si forma una zona di piccoli cristalli equiassici. Il volume del metallo solido è inferiore a quello del liquido, quindi appare un traferro tra la parete dello stampo e il metallo solidificato; la parete stessa si riscalda a contatto con il metallo. Di conseguenza, la velocità di raffreddamento del metallo diminuisce, la crescita dei cristalli acquisisce un carattere direzionale: crescono dalla parete dello stampo al centro nella direzione della rimozione del calore e si forma una zona di cristalli colonnari. Questo fenomeno, per così dire, di germinazione da parte di lunghi cristalli dello spessore del lingotto è chiamato transcristallizzazione. La zona risultante rallenta il trasferimento di calore verso l'esterno, la velocità di raffreddamento diminuisce e si forma una zona di grandi cristalli non orientati. Il metallo liquido contiene una certa quantità di gas disciolti, quindi, nel volume del lingotto, quando viene raffreddato, per i metalli che tendono a sovraraffreddarsi, solo rami ascendenti delle curve per il numero dei centri di cristallizzazione e la crescita dei cristalli tasso sono trovati.

La dimensione dei grani formati durante la cristallizzazione dipende non solo dal numero di centri di cristallizzazione generati spontaneamente, ma anche dal numero di particelle di impurità insolubili che sono sempre presenti nel metallo liquido, che svolgono il ruolo di centri di cristallizzazione già pronti. Tali particelle possono essere ossidi, nitruri, solfuri. I centri di cristallizzazione in un metallo o in una lega possono essere particelle solide che hanno una piccola differenza nelle dimensioni degli atomi con gli atomi del metallo di base, il loro reticolo cristallino dovrebbe essere vicino nella struttura e nei parametri al reticolo del metallo cristallizzato. Le pareti degli stampi e di altre forme in cui si verifica la cristallizzazione del metallo liquido presentano irregolarità e rugosità. Queste irregolarità influenzano il processo di cristallizzazione aumentando la velocità di cristallizzazione. Se l'acciaio non è sufficientemente disossidato (il cosiddetto acciaio bollente), si formeranno bolle di gas in tutto il volume del lingotto.

Se l'acciaio è ben disossidato (acciaio silenzioso), viene colato in stampi con un'estensione redditizia isolata. In questo luogo, le ultime porzioni del metallo liquido si cristallizzeranno. È qui che si raccoglieranno i gas. Questo crea un grande vuoto, chiamato cavità da ritiro. Vicino alla cavità di ritiro, il metallo sarà meno denso, sciolto. Pertanto, dopo aver laminato i lingotti di acciaio calmo, la parte superiore (redditizia) del lingotto (circa il 15-20% della lunghezza del lingotto) viene tagliata. Durante la laminazione, la forma dei cristalli primari del metallo fuso cambia. I dendriti si deformano, si allungano lungo la direzione del flusso metallico e si trasformano in fibre. Le giunture dei cristalli hanno una resistenza inferiore, quindi, lungo le fibre, l'acciaio deformato ha una resistenza e una tenacità maggiori rispetto a quelle trasversali.

Le leghe amorfe sono molto spesso fragili in tensione, ma relativamente duttili in curvatura e compressione e possono essere sottoposte a laminazione a freddo. Le leghe amorfe magnetiche morbide sono disponibili in tre gruppi.

1. A base di ferro (Fe₈₁Si_3/5B_13/5C₂) con alti valori di induzione magnetica e bassa forza coercitiva.

2. A base di cobalto (CO₆₆Fe₄(Lu, Si, SI)₃₀avente un'induzione di saturazione relativamente bassa, ma elevate proprietà meccaniche, bassa forza coercitiva ed elevata permeabilità magnetica.

3. Leghe ferro-nichel (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆) con induzione magnetica media e forza coercitiva inferiore rispetto alle leghe di ferro.

Le leghe amorfe magnetiche morbide sono utilizzate nell'ingegneria elettrica e nell'industria elettronica.

11. Modifica dei metalli. Prove standard per trazione, compressione, flessione, durezza, resistenza all'urto

Al metallo liquido possono essere aggiunti modificatori per ottenere la struttura desiderata del metallo nei getti. Questo è il processo di modifica.

Secondo il meccanismo di influenza sul processo di cristallizzazione, i modificatori possono essere suddivisi in due gruppi:

1) modificatori, che sono ulteriori centri di cristallizzazione;

2) modificatori - tensioattivi. Questi modificatori si dissolvono nel metallo liquido. Il processo di cristallizzazione dipende dai centri di cristallizzazione disponibili. Questi centri sono particelle di inclusioni refrattarie non metalliche, ossidi, composti intermetallici formati da impurità.

All'inizio del processo di cristallizzazione, i centri si trovano nel metallo liquido e hanno la forma di inclusioni solide. Durante la cristallizzazione, gli atomi di metallo si depositano sulla superficie dell'impurità attivata. Questa cristallizzazione è chiamata eterogenea, in cui le pareti dello stampo svolgono il ruolo di nuclei.

Dopo la solidificazione, la presenza di centri di cristallizzazione già pronti porta ad una diminuzione delle dimensioni dei cristalli. L'effetto di raffinamento della struttura aumenta quando si osserva la corrispondenza strutturale e dimensionale della fase delle impurità con il metallo di base, che contribuisce alla coniugazione dei loro reticoli cristallini.

Il metallo liquido contiene impurità disciolte che causano l'affinamento della struttura. Essendo adsorbiti, riducono la tensione superficiale all'interfaccia liquido-solido e il tasso di crescita lineare dei cristalli.

La raffinatezza della struttura contribuisce al miglioramento delle proprietà meccaniche del metallo. Per affinare la struttura delle leghe, viene utilizzata un'operazione tecnologica: la modifica. Questa operazione consiste nell'introdurre speciali additivi - modificatori nella lega liquida prima della colata. Per questo vengono utilizzati tensioattivi e elementi che formano particelle fini refrattarie. I modificatori vengono aggiunti alle leghe.

Un aumento della temperatura del metallo liquido prima della colata porta all'ingrossamento del grano durante la cristallizzazione e, al contrario, si verifica una diminuzione della dimensione del grano come risultato del raffreddamento del metallo. La refrigerazione è efficace in presenza di modificatori che formano fasi insieme alla corrispondenza strutturale e dimensionale con il metallo base.

Prove standard

La prova di trazione statica è un metodo di prova meccanica dei metalli. Per le prove statiche vengono realizzati provini rotondi del metallo testato o provini piatti per materiali in lamiera. I campioni sono costituiti da una parte operativa e da teste, progettate per essere fissate nelle impugnature di una macchina per prove di trazione. Le dimensioni del campione sono standardizzate. Quando viene allungato, il campione si allunga. Alcune leghe metalliche hanno un coefficiente di dilatazione lineare prossimo allo zero (usate per la fabbricazione di strumenti di precisione, tubi radio).

Un campione rotondo o piatto di dimensioni standard viene installato nei morsetti della macchina per prove di trazione e, aumentando il carico, viene monitorata la variazione della sua lunghezza. Il dispositivo di scrittura della macchina registra il diagramma di allungamento, che determina le proprietà meccaniche.

Durezza - la proprietà di un materiale di resistere alla deformazione da contatto, la capacità di un materiale di resistere alla penetrazione nella sua superficie di un corpo solido - un penetratore. Penetratore - punta diamantata a forma di cono. La prova di durezza è il tipo più accessibile di prova meccanica.

I test di durezza vengono eseguiti rapidamente e non richiedono campioni complessi, consentono di giudicare altre proprietà meccaniche dei metalli (ad esempio resistenza alla trazione). I metodi di indentazione della punta dura sono comuni.

Determinazione della durezza con il metodo Rockwell. Un cono in acciaio o diamante con un angolo di 120° o una sfera in acciaio temprato con un diametro di 1,59 mm viene premuto sulla superficie del provino e la durezza del materiale viene stimata dalla profondità di penetrazione nella superficie.

Sul durometro Rockwell vengono applicate tre scale: A (nero) - la prova viene eseguita con un cono di diamante, la durezza è indicata da HRA; B (rosso) - il test viene eseguito con una palla, la durezza è indicata da H13B; C (nero) - il test viene eseguito con un cono in acciaio, la durezza è indicata da HRC.

Determinazione della durezza con il metodo Vickers. Una piramide di diamante tetraedrica viene pressata sulla superficie del campione e la durezza viene determinata lungo la diagonale dell'impronta.

Il metodo Vickers consente di misurare la durezza di metalli teneri e duri e leghe e la durezza di strati superficiali sottili.

Le prove d'urto misurano la capacità di un metallo di resistere ai carichi d'urto a cui sono soggette le parti della macchina durante il funzionamento.

Le prove di impatto vengono eseguite su provini di forma standard su strumenti chiamati tester di impatto a pendolo.

Resistenza all'impatto: il lavoro dedicato alla frattura da impatto del campione e relativo alla sua area della sezione trasversale nella tacca. Le prove d'urto vengono eseguite per valutare la propensione dei materiali alla frattura da fragilità.

La piegatura è un modo più morbido di caricare rispetto alla tensione. I materiali a basso contenuto di plastica sono testati per la flessione. Le prove vengono eseguite su campioni di grande lunghezza, di forma cilindrica o rettangolare. Sono installati su due supporti. Le caratteristiche determinate sono la resistenza alla trazione e la deflessione.

12. Trasformazioni di fase allo stato solido

Una fase è una parte omogenea del sistema, che è separata da un'altra parte del sistema (fase) da un'interfaccia, al passaggio attraverso la quale la composizione chimica o la struttura cambia bruscamente.

Durante la cristallizzazione di un metallo puro, ci sono due fasi nel sistema: liquido (metallo fuso) e solido (granuli di metallo solidificato). Nelle leghe dure, le fasi possono essere grani di metallo puro, grani di soluzione solida e grani di composti chimici. Molti metalli allo stato liquido si dissolvono l'uno nell'altro in qualsiasi rapporto. Come risultato della dissoluzione, si forma una soluzione liquida omogenea con una distribuzione uniforme di atomi di un metallo tra gli atomi di un altro metallo. A causa di questa interazione, in pratica, per distribuire uniformemente le sostanze nella lega, ricorrono alla loro fusione. Alcuni metalli, che differiscono notevolmente per la dimensione atomica, non si dissolvono allo stato liquido, mentre altri metalli si dissolvono allo stato liquido in misura limitata. Nella formazione delle leghe durante la loro solidificazione sono possibili varie interazioni dei componenti.

Se nel processo di cristallizzazione la forza di interazione tra atomi omogenei è maggiore della forza di interazione tra atomi eterogenei, dopo la cristallizzazione si forma una miscela meccanica, costituita da grani di metalli puri. In questo caso, nella lega dura saranno presenti grani di un metallo puro e accanto a loro grani di un altro metallo puro. Questa forma di interazione si verifica quando c'è una grande differenza nelle proprietà dei metalli inclusi nella lega.

Un'altra forma di interazione tra le sostanze che compongono la lega è la formazione di soluzioni solide.

Le soluzioni solide sono fasi solide in cui i rapporti tra i componenti possono cambiare. In una soluzione solida, proprio come nei metalli puri, gli atomi nello spazio sono disposti regolarmente e formano un reticolo cristallino. Questo è ciò che li distingue dalle soluzioni liquide. In una soluzione solida, una delle sostanze che compongono la lega conserva il suo reticolo cristallino e la seconda sostanza, che ha perso la sua struttura cristallina, si distribuisce sotto forma di singoli atomi nel reticolo cristallino della prima. La prima sostanza è un solvente e la seconda è solubile. A seconda della natura della distribuzione degli atomi di un elemento solubile, si distinguono soluzioni solide di interstiziale, sostituzione e sottrazione; indipendentemente dal tipo di soluzione solida, hanno in comune il fatto di essere monofase e di esistere in un intervallo di concentrazioni. Le soluzioni solide sono caratterizzate da un legame di tipo metallico.

Alcuni metalloidi - idrogeno, azoto, carbonio, boro, che formano soluzioni solide interstiziali con metalli - hanno le dimensioni atomiche più piccole. Ma anche per questi elementi, la dimensione degli atomi supera di poco 12b la dimensione delle lacune interatomiche nel reticolo cristallino dei metalli, quindi, quando si formano soluzioni solide interstiziali, il reticolo viene distorto e in esso sorgono sollecitazioni. In questo caso la concentrazione della soluzione solida interstiziale non può essere elevata. Raramente supera l'1-2%. Nelle soluzioni solide sostitutive, gli atomi dell'elemento solubile prendono il posto degli atomi del metallo di base. Gli atomi estranei possono sostituire gli atomi del solvente in qualsiasi luogo, quindi tali soluzioni sono chiamate soluzioni solide disordinate. Le dimensioni degli atomi di un elemento solubile differiscono sempre dalle dimensioni dell'atomo di solvente (sono più grandi o più piccole), quindi, quando si forma una soluzione solida sostitutiva, il reticolo cristallino del metallo solvente viene distorto senza perdere la sua struttura di base . Le soluzioni solide di sostituzione possono essere limitate e illimitate. Una delle condizioni per una solubilità illimitata è il fattore dimensionale. Maggiore è la differenza nei raggi atomici, minore è la solubilità.

Con una diminuzione della temperatura nelle soluzioni solide sostitutive, si verifica un processo di ridistribuzione degli atomi, a seguito del quale gli atomi dell'elemento disciolto occuperanno posti rigorosamente definiti nel reticolo del solvente. Tali soluzioni solide sono chiamate soluzioni solide ordinate e la loro struttura è chiamata sovrastruttura.

Alcuni elementi modificano la loro struttura cristallina a seconda dei cambiamenti delle condizioni esterne - temperatura e pressione. Allo stato solido, il litio e il molibdeno hanno un reticolo cubico a corpo centrato; alluminio, argento, oro, platino - faccia centrata e magnesio, zirconio - esagonale. Quando la temperatura cambia, può risultare che per lo stesso metallo un reticolo diverso sarà più stabile di quello che era a una temperatura diversa. Questo fenomeno è chiamato polimorfismo. Ogni tipo di reticolo rappresenta una modifica o modifica allotropica. Nelle trasformazioni polimorfiche dei metalli, la temperatura è di primaria importanza. La trasformazione di una forma allotropica in un'altra avviene a temperatura costante, detta temperatura di trasformazione polimorfa, ed è accompagnata da un effetto termico, simile ai fenomeni di fusione-solidificazione o evaporazione-condensazione. Ciò è dovuto alla necessità di spendere una certa quantità di energia per riorganizzare il reticolo cristallino.

13. Deformazione elastica e plastica dei metalli

La deformazione è un cambiamento nella forma e nelle dimensioni del corpo, la deformazione può essere causata dall'influenza di forze esterne, nonché da altri processi fisici e meccanici che si verificano nel corpo. Le deformazioni includono fenomeni come taglio, compressione, tensione, flessione e torsione.

La deformazione elastica è una deformazione che scompare dopo la rimozione del carico. La deformazione elastica non provoca variazioni residue nelle proprietà e nella struttura del metallo; sotto l'azione del carico applicato, si verifica uno spostamento reversibile insignificante di atomi.

Quando un singolo cristallo viene allungato, le distanze tra gli atomi aumentano e, quando vengono compressi, gli atomi si avvicinano l'uno all'altro. Quando gli atomi vengono spostati dalla posizione di equilibrio, l'equilibrio delle forze di attrazione e repulsione elettrostatica viene disturbato. Dopo che il carico è stato rimosso, gli atomi spostati, per l'azione di forze attrattive o repulsive, ritornano al loro stato di equilibrio originario ei cristalli acquisiscono le dimensioni e la forma originarie.

La deformazione può essere elastica, scomparendo dopo la rimozione del carico, e plastica, rimanendo dopo la rimozione del carico.

La più piccola sollecitazione provoca deformazione e le deformazioni iniziali sono sempre elastiche e la loro entità dipende direttamente dalla sollecitazione. Le principali proprietà meccaniche sono resistenza, plasticità, elasticità.

La plasticità è importante, determina la possibilità di fabbricare prodotti con vari metodi di trattamento a pressione. Questi metodi si basano sulla deformazione plastica del metallo.

I materiali che hanno una maggiore plasticità sono meno sensibili ai concentratori di stress. Per questo, viene eseguita una valutazione comparativa di vari metalli e leghe, nonché il loro controllo di qualità nella fabbricazione dei prodotti.

La natura fisica della deformazione dei metalli

Sotto l'azione degli stress, si verifica un cambiamento nella forma e nelle dimensioni del corpo. Le sollecitazioni sorgono quando le forze esterne di tensione, compressione agiscono sul corpo, nonché come risultato di trasformazioni di fase e alcuni altri processi fisici e chimici associati a una variazione di volume. Un metallo che si trova in uno stato sollecitato, sotto qualsiasi tipo di sollecitazione, subisce sempre sollecitazioni normali e tangenziali, la deformazione sotto l'azione delle sollecitazioni può essere elastica e plastica. La plastica si verifica sotto l'azione delle sollecitazioni di taglio.

Elastico: questa è una tale deformazione che, dopo la fine dell'azione che ha causato lo stress, scompare completamente. Durante la deformazione elastica, c'è un cambiamento nelle distanze tra gli atomi nel reticolo cristallino del metallo.

Con l'aumento delle distanze interatomiche, aumentano le forze di attrazione reciproca degli atomi. Quando lo stress viene rimosso sotto l'azione di queste forze, gli atomi tornano alla loro posizione originale. La distorsione del reticolo scompare, il corpo ripristina completamente la sua forma e dimensione. Se le sollecitazioni normali raggiungono il valore delle forze di legame interatomico, si verificherà una frattura fragile per separazione. La deformazione elastica è causata da piccole sollecitazioni tangenziali.

La deformazione plastica è la deformazione che permane dopo la cessazione dell'azione delle sollecitazioni che l'hanno provocata. Durante la deformazione plastica nel reticolo cristallino di un metallo, sotto l'azione di sollecitazioni tangenziali, si verifica uno spostamento irreversibile degli atomi. A basse tensioni, gli atomi sono leggermente spostati e, dopo che lo stress è stato rimosso, tornano nella loro posizione originale. Con un aumento della sollecitazione di taglio, si osserva uno spostamento irreversibile degli atomi da parte del parametro reticolare, ovvero si verifica una deformazione plastica.

Con un aumento delle sollecitazioni di taglio al di sopra di un certo valore, la deformazione diventa irreversibile. Quando il carico viene rimosso, la componente elastica della deformazione viene eliminata. Parte della deformazione, che è chiamata plastica, rimane.

Durante la deformazione plastica, la struttura del metallo e le sue proprietà cambiano in modo irreversibile. La deformazione plastica viene eseguita per scorrimento e gemellaggio.

Lo scorrimento nel reticolo cristallino procede lungo piani e direzioni con un denso impaccamento di atomi, dove la resistenza al taglio è la più bassa. Ciò è spiegato dal fatto che la distanza tra piani atomici adiacenti è la più grande, cioè la connessione tra loro è la più piccola. I piani di scorrimento e le direzioni di scorrimento che si trovano in questi piani formano un sistema di scorrimento. Nei metalli uno o più sistemi di scorrimento possono agire contemporaneamente.

I metalli con un reticolo cristallino cubico (fcc e bcc) hanno un'elevata plasticità, lo scorrimento in essi avviene in molte direzioni.

Il processo di scorrimento non deve essere rappresentato come il movimento simultaneo di una parte del cristallo rispetto a un'altra, viene eseguito come risultato del movimento delle dislocazioni nel cristallo. Lo spostamento di una dislocazione nel piano di scorrimento MM attraverso il cristallo porta a uno spostamento della parte corrispondente del cristallo di una distanza interplanare e si forma un gradino sul lato destro della superficie del cristallo.

14. Tipi di frattura: concetti di frattura duttile e fragile

La fatica è la distruzione dei metalli sotto l'azione di carichi ripetuti. Si verifica alle sorgenti dell'automazione. La maggior parte dei guasti delle parti sono causati dalla fatica del materiale. Il cedimento per fatica si sviluppa in parti che operano a sollecitazioni inferiori alla resistenza allo snervamento del materiale.

La deformazione elasto-plastica, al raggiungimento di sollecitazioni sufficientemente elevate, può provocare la distruzione del corpo. Il processo di distruzione consiste in diverse fasi: l'inizio di microfessure, la formazione di macrofessure e la propagazione di una macrocrepa sull'intera sezione del corpo.

In generale, si distingue tra fratture duttili e fragili. Il tipo di distruzione dipende da molti fattori: la composizione del metallo, il suo stato strutturale, le condizioni di carico e la temperatura. Il tipo di frattura, duttile o fragile, è determinato dallo studio delle fratture. La frattura fragile è caratterizzata da una frattura del ruscello. La frattura duttile si verifica per taglio sotto l'azione delle sollecitazioni di taglio ed è accompagnata da una significativa deformazione plastica. La frattura duttile è caratterizzata da una frattura fibrosa (opaca) di una parte o di un campione. La frattura fragile si verifica sotto l'azione delle normali sollecitazioni di trazione, causando la separazione di una parte del corpo dall'altra senza evidenti tracce di deformazione macroplastica.

La frattura fragile è caratterizzata da una frattura cristallina (brillante). La frattura fragile è preceduta da una deformazione plastica fino al raggiungimento di una fessura di dimensioni critiche e quindi da una frattura fragile senza lussazione. La frattura fragile è un processo spontaneo.

Il verificarsi di microfratture nelle fratture duttili e fragili avviene attraverso l'accumulo di dislocazioni davanti ai bordi di grano o altri ostacoli (inclusioni non metalliche, particelle di carburo, bordi interfasici), che porta alla concentrazione delle sollecitazioni. Quando si analizza la microstruttura, si distingue la distruzione transcristallina (lungo il corpo del grano) e intercristallina (lungo i bordi del grano). La distruzione del metallo nelle condizioni operative di strutture e macchine può essere non solo duttile o fragile, ma anche mista: duttile-fragile.

I materiali vengono distrutti in modo diverso in caso di fatica e sotto carichi singoli. La frattura è caratterizzata dall'assenza di segni esterni di deformazione plastica in una frattura, cioè, in generale, una frattura da fatica ha il carattere di una frattura fragile. Tuttavia, in microvolumi e strati sottili della sezione trasversale di un campione caricato, possono esserci deformazioni plastiche che portano all'innesco di cricche. Queste crepe, sviluppandosi e propagandosi gradualmente, portano alla distruzione finale del materiale. Nel caso del carico di fatica, l'inizio della deformazione plastica causata dal movimento delle dislocazioni può essere a sollecitazioni inferiori al limite di snervamento. Con l'aumento del numero di cicli di carico, aumenta la densità delle dislocazioni, principalmente negli strati superficiali. Le sottili linee di scorrimento sulla superficie si trasformano in strisce caratteristiche, il cui profilo si presenta sotto forma di sporgenze e depressioni. La profondità delle cavità, a seconda del tempo di prova, può raggiungere i 10-30 µm. Durante la formazione di bande di scorrimento stabili, si alternano regioni con densità di dislocazione alta e bassa.

Le crepe da fatica hanno origine nelle depressioni superficiali. Uno dei possibili meccanismi per la formazione di sporgenze e cavità è associato al moto circolare delle dislocazioni delle viti. Una dislocazione della vite si sposta da un piano all'altro lungo un contorno chiuso con l'aiuto dello scorrimento trasversale. Di conseguenza, la dislocazione raggiunge la superficie, sulla quale si formano sporgenze e depressioni.

Le microfessure sotto carico ciclico vengono nucleate nella fase iniziale del test a causa dell'afflusso di posti vacanti e della successiva formazione e coalescenza di micropori. Nel campione può formarsi un gran numero di microfessure. Ma in futuro non si sviluppano tutte le microfessure, ma solo quelle che hanno i picchi più acuti e sono localizzate in modo più favorevole rispetto alle sollecitazioni agenti. La cricca più lunga, più acuta e più profonda, che si propaga sulla sezione del campione, porta alla distruzione finale del campione: la presenza di una zona di cricca progressivamente crescente e di una zona di frattura finale è tipica della frattura a fatica del campione. Nella zona di una fessura in progressiva crescita si osservano strisce sotto forma di linee curve. Le fasce si formano a seguito di scatti e ritardi nel movimento di una fessura dovuti all'indurimento del metallo alla sua base e all'espansione della sua parte anteriore. Il processo di distruzione sotto carichi ciclici è notevolmente influenzato dai concentratori di stress. I concentratori di stress possono essere costruttivi (transizioni brusche da sezione a sezione), tecnologici (graffi, crepe, rischi da tagliente), metallurgici (pori, gusci). Indipendentemente dalla loro origine, i concentratori di stress in una certa misura riducono il limite di resistenza allo stesso livello di sollecitazioni alternate. Per valutare l'effetto di un concentratore di sollecitazioni sulla fatica, i provini lisci e dentellati vengono testati in un ciclo di sollecitazione simmetrico. L'incisione sul campione viene eseguita sotto forma di un sottosquadro circolare tagliente.

15. Proprietà elettriche dei materiali conduttori

Come materiali conduttori vengono utilizzati metalli puri e leghe metalliche. I metalli puri hanno la più alta conduttività, ad eccezione del mercurio. Avvolgimento, installazione, cavi e fili di installazione sono realizzati in rame e alluminio. L'alluminio appartiene al gruppo dei metalli leggeri. La sua densità è di 2,7 g/cm3. La disponibilità, l'elevata conducibilità e la resistenza alla corrosione atmosferica hanno consentito all'alluminio di essere ampiamente utilizzato nell'ingegneria elettrica. Gli svantaggi dell'alluminio sono una bassa resistenza alla trazione meccanica e una maggiore morbidezza anche nell'alluminio trafilato duro. L'alluminio è un metallo color argento o bianco-argento. Il suo punto di fusione è 658-660 °C.

I fili di alluminio nudo possono funzionare per un periodo piuttosto lungo poiché l'alluminio viene ricoperto in breve tempo da un sottile film di ossido. Questo serve come protezione contro l'ossigeno.

Il film di ossido sui fili di alluminio ha una resistenza elettrica significativa e quindi si formano grandi resistenze transitorie alle giunzioni dei fili di alluminio. Le articolazioni vengono pulite con vaselina per prevenire l'effetto dell'ossigeno sull'alluminio.

Quando si bagnano le giunzioni di fili di alluminio con altri fili di altri metalli (rame, ferro) ottenuti meccanicamente (collegamenti imbullonati), si formano coppie galvaniche con una certa forza elettromotrice. In questo caso, il filo di alluminio sotto l'influenza della corrente locale verrà distrutto.

Per prevenire la formazione di vapori galvanici in atmosfera umida, le giunzioni con altri fili di altri metalli devono essere accuratamente protette dall'umidità mediante verniciatura e altri metodi.

Gli ossidi di azoto (NO), il cloro (Cl), il biossido di zolfo (SCy, acido cloridrico e solforico e altri agenti) causano la corrosione diretta dell'alluminio.I collegamenti affidabili tra i fili, nonché con fili di altri metalli, vengono eseguiti utilizzando saldatura a freddo o a caldo Maggiore è la purezza chimica dell'alluminio, migliore è la sua resistenza alla corrosione.Pertanto, per la produzione di elettrodi nei condensatori elettrici, per la produzione di alluminio vengono utilizzati i gradi più puri di alluminio con un contenuto di metallo puro del 99,5% lamina e fili di avvolgimento di piccoli diametri di 0,05-0,08 mm Viene utilizzato alluminio conduttivo contenente almeno il 99,7% di metallo puro L'alluminio viene utilizzato per la produzione di filo

con un contenuto di metallo puro di almeno il 99,5%. Il filo di alluminio viene prodotto mediante trafilatura e laminazione. Esistono tre tipi di filo di alluminio: AM (ricotto morbido), APT (semi-duro) e AT (non ricotto). Il filo è prodotto con un diametro da 0,08 a 10 mm.

I semiconduttori costituiscono una vasta area di materiali che differiscono tra loro per un'ampia varietà di proprietà elettriche e fisiche, nonché per un'ampia varietà di composizione chimica, che determina vari scopi nel loro uso tecnico. In base alla loro natura chimica, i semiconduttori possono essere suddivisi nei seguenti quattro gruppi principali.

1. Materiali semiconduttori cristallini costruiti da atomi e molecole di un elemento.

2. Materiali semiconduttori cristallini di ossido, ovvero materiali da ossidi metallici.

3. Materiali semiconduttori cristallini basati su composti di atomi del terzo e quinto gruppo del sistema di elementi della tavola periodica.

4. Materiali semiconduttori cristallini a base di composti di zolfo, selenio, rame, piombo: sono chiamati solfuri, seleniuri.

Il carburo di silicio appartiene al primo gruppo di materiali semiconduttori ed è il materiale monocristallino più comune. Questo materiale semiconduttore è una miscela di tanti piccoli cristalli, saldati casualmente tra loro. Il carburo di silicio si forma ad alta temperatura quando si combinano grafite e silicio. Viene utilizzato in fotocellule, diodi.

La possibilità di aumentare la temperatura di esercizio dell'isolamento è molto importante per la pratica. Nelle macchine e negli apparecchi elettrici un aumento del riscaldamento, solitamente limitato proprio dai materiali di isolamento elettrico, consente di ottenere più potenza a parità di dimensioni, oppure, pur mantenendo la potenza, di ridurre le dimensioni ed il costo del prodotto.

GOST prevede la divisione dei materiali isolanti elettrici per macchine elettriche, trasformatori e apparecchiature in classi di resistenza al calore, per le quali vengono fissate le temperature di esercizio più elevate consentite quando questi materiali vengono utilizzati in apparecchiature elettriche per uso generale che funzionano a lungo in condizioni normali di funzionamento condizioni per questo tipo di apparecchiature elettriche.

A queste temperature è assicurata una durata ragionevole delle apparecchiature elettriche.

La classe Y comprende i materiali fibrosi a base di cellulosa e seta (filati, tessuti, nastri, carte, cartoni, legno, ecc.), a meno che non siano impregnati e immersi in uno strato isolante elettrico liquido.

16. Metodi per la determinazione delle proprietà elettriche

I metalli ad alta conduttività elettrica (rame, alluminio) sono utilizzati nell'ingegneria elettrica, per l'installazione di linee elettriche e leghe ad alta resistenza elettrica - per riscaldatori elettrici a incandescenza.

Proprietà termiche dei dielettrici: resistenza al calore, resistenza al freddo, conducibilità termica, dilatazione termica.

Resistenza al calore: la capacità dei materiali e dei prodotti isolanti elettrici di resistere all'esposizione a temperature elevate per un certo periodo di tempo senza danneggiarli. La resistenza al calore dei dielettrici inorganici è determinata dall'inizio di un cambiamento significativo nelle proprietà elettriche. E la resistenza al calore dei dielettrici organici è determinata dall'insorgenza di deformazioni meccaniche di trazione o flessione, dall'immersione dell'ago nel materiale sotto pressione quando riscaldato e dalle caratteristiche elettriche.

L'invecchiamento termico dell'isolamento è un deterioramento della qualità dell'isolamento, determinato dall'esposizione prolungata a temperature elevate.

Il tasso di invecchiamento è influenzato dalla temperatura alla quale opera l'isolamento delle macchine elettriche e di altre strutture di isolamento elettrico.

Il tasso di invecchiamento è influenzato anche dalle variazioni della pressione atmosferica o della concentrazione di ossigeno, dalla presenza di ozono, reagenti chimici che rallentano o accelerano l'invecchiamento. L'invecchiamento termico è accelerato dall'esposizione ai raggi ultravioletti, dall'esposizione a un campo elettrico, da sollecitazioni meccaniche.

GOST prevede la suddivisione dei materiali isolanti elettrici per macchine elettriche, trasformatori e apparati in classi di resistenza al calore. A temperature accettabili, è assicurata una durata ragionevole delle apparecchiature elettriche.

Classe Y: Materiali fibrosi a base di cellulosa e seta non impregnati o immersi in uno strato isolante elettrico liquido.

Classe A: materiali fibrosi organici lavorati con vernici impregnate ed immersi in materiale isolante elettrico liquido, cioè protetti dall'ossigeno atmosferico.

Classe E: plastiche con carica organica e leganti termoindurenti quali fenolo-formaldeide e resine similari, isolamento di fili smaltati su vernici poliuretaniche e epossidiche. Le classi Y, A, E comprendono materiali isolanti elettrici puramente organici.

La rigidità dielettrica è determinata dalla tensione di rottura correlata alla corrente dielettrica nel luogo del guasto.

La rottura dei dielettrici liquidi si verifica a seguito di processi termici di ionizzazione.

Il principale fattore di rottura è la presenza di impurità estranee.

La presenza di impurità rende difficile creare una teoria di scomposizione per queste sostanze. Pertanto, le idee della teoria della rottura elettrica vengono applicate ai liquidi che vengono purificati al massimo dalle impurità.

Ad elevate intensità di campo elettrico, gli elettroni possono essere espulsi dal metallo degli elettrodi e le molecole del liquido stesso possono essere distrutte a causa dell'impatto con particelle cariche. In questo caso, la maggiore rigidità dielettrica dei dielettrici liquidi rispetto ai dielettrici gassosi è spiegata dal percorso libero medio dell'elettrone significativamente più breve.

La rottura dei liquidi contenenti inclusioni di gas è spiegata dal surriscaldamento locale del liquido (dovuto all'energia rilasciata in bolle di gas ionizzate relativamente facilmente), che porta alla formazione di un canale di gas tra gli elettrodi.

La presenza di acqua in un dielettrico liquido ne riduce la rigidità dielettrica. L'acqua a temperatura normale è contenuta nel dielettrico sotto forma di minuscole goccioline. Sotto l'influenza di un campo elettrico, le goccioline sono polarizzate e creano catene con una maggiore conduttività tra gli elettrodi, lungo le quali si verifica un guasto elettrico.

Si osserva una peculiare dipendenza della rigidità elettrica di un dielettrico liquido contenente acqua dalla temperatura. All'aumentare della temperatura, l'acqua passa allo stato di una soluzione molecolare, in cui ha scarso effetto sulla forza elettrica. La rigidità elettrica del dielettrico liquido aumenta fino a un certo massimo. Un'ulteriore diminuzione della rigidità elettrica è spiegata dai fenomeni di ebollizione del liquido.

Un aumento della rigidità elettrica dell'olio del trasformatore alle basse temperature è associato ad un aumento della viscosità dell'olio e valori inferiori della costante dielettrica del ghiaccio rispetto all'acqua.

Le inclusioni solide (fuliggine, fibre) distorcono il campo elettrico all'interno del liquido e portano anche a una diminuzione della rigidità elettrica dei liquidi dielettrici.

La purificazione dei dielettrici liquidi dalle impurità aumenta significativamente la rigidità dielettrica. Ad esempio, l'olio per trasformatori non raffinato ha una rigidità elettrica di circa 4 MV/m; dopo un'accurata pulizia, sale a 20-25 MV/m.

La rottura dei dielettrici liquidi, così come i gas, è influenzata dalla forma degli elettrodi: con un aumento del grado di disomogeneità del campo elettrico, la tensione di rottura alle stesse distanze diminuisce. Nei campi elettrici non uniformi, così come nei gas, potrebbe esserci un guasto incompleto: una corona. La corona a lungo termine nei dielettrici liquidi è inaccettabile, poiché provoca la decomposizione del liquido.

La frequenza della corrente influisce sulla rigidità dielettrica.

17. Capacità termica e conducibilità termica di metalli e leghe

La capacità termica è la capacità di una sostanza di assorbire calore quando viene riscaldata. La sua caratteristica è la capacità termica specifica - la quantità di energia assorbita da un'unità di massa quando viene riscaldata di un grado. La possibilità di crepe nel metallo dipende dall'entità della conducibilità termica. Se la conduttività termica è bassa, aumenta il rischio di crepe. Pertanto, gli acciai legati hanno una conduttività termica cinque volte inferiore a quella del rame e dell'alluminio. La dimensione della capacità termica influisce sul livello di carburante consumato per riscaldare la billetta a una certa temperatura.

Per le leghe metalliche, la capacità termica specifica è compresa tra 100 e 2000 J / (kg * K). Per la maggior parte dei metalli, la capacità termica è di 300-400 J / (kg * K). La capacità termica dei materiali metallici aumenta con l'aumentare della temperatura. I materiali polimerici, di regola, hanno una capacità termica specifica di 1000 J/(kg·K) o più.

Le proprietà elettriche dei materiali sono caratterizzate dalla presenza di portatori di carica di elettroni o ioni e dalla loro libertà di movimento sotto l'azione di un campo elettrico.

Le alte energie dei legami covalenti e ionici conferiscono proprietà dielettriche ai materiali con questi tipi di legami. La loro debole conduttività elettrica è dovuta all'influenza delle impurità e, sotto l'influenza dell'umidità, che forma soluzioni conduttive con impurità, aumenta la conduttività elettrica di tali materiali.

I materiali con diversi tipi di legami hanno diversi coefficienti di temperatura della resistenza elettrica: per i metalli è positivo, per i materiali con legami covalenti e ionici è negativo. Quando i metalli vengono riscaldati, la concentrazione dei portatori di carica - gli elettroni non aumenta e la resistenza al loro movimento aumenta a causa di un aumento delle ampiezze delle vibrazioni atomiche. Nei materiali con un legame covalente o ionico, quando riscaldato, la concentrazione dei portatori di carica aumenta così tanto che l'effetto dell'interferenza da un aumento delle vibrazioni atomiche viene neutralizzato.

La conducibilità termica è il trasferimento di energia termica in solidi, liquidi e gas con immobilità macroscopica delle particelle. Il trasferimento di calore avviene dalle particelle più calde a quelle più fredde e obbedisce alla legge di Fourier.

La conducibilità termica dipende dal tipo di legame interatomico, dalla temperatura, dalla composizione chimica e dalla struttura del materiale. Il calore nei solidi viene trasferito da elettroni e fononi.

Il meccanismo di trasferimento del calore è determinato principalmente dal tipo di legame: nei metalli il calore viene trasferito dagli elettroni; in materiali con un tipo di legame covalente o ionico - fononi. Il diamante è il più termicamente conduttivo. Nei semiconduttori, a bassissima concentrazione di portatori di carica, la conduttività termica è svolta principalmente dai fononi. Più perfetti sono i cristalli, maggiore è la loro conduttività termica. I cristalli singoli conducono il calore meglio dei policristalli, poiché i bordi dei grani e altri difetti nella struttura cristallina disperdono i fononi e aumentano la resistenza elettrica. Il reticolo cristallino crea uno spazio energetico periodico in cui il trasferimento di calore da parte di elettroni o fononi è facilitato rispetto allo stato amorfo.

Più impurità contiene il metallo, più fini sono i grani e più distorto è il reticolo cristallino, minore è la conduttività termica. Maggiore è la granulometria, maggiore è la conduttività termica. Il drogaggio introduce la distorsione nei reticoli cristallini delle soluzioni solide e abbassa la conduttività termica rispetto al metallo puro, la base della lega. I componenti strutturali che rappresentano miscele disperse di più fasi (eutettici, eutettoidi) riducono la conduttività termica. Le strutture con una distribuzione uniforme delle particelle di fase hanno una conduttività termica inferiore rispetto alla base della lega. Il tipo limitante di tale struttura è un materiale poroso. Rispetto ai solidi, i gas sono isolanti termici.

La grafite ha un'elevata conduttività termica. Quando il calore viene trasferito parallelamente agli strati di atomi di carbonio del piano basale, la conduttività termica della grafite supera la conduttività termica del rame di oltre 2 volte

Le lastre di grafite ramificata in ghisa grigia hanno una struttura monocristallina e quindi ha un'elevata conducibilità termica. La ghisa sferoidale con grafite nodulare con la stessa frazione di volume della grafite ha una conducibilità termica di 25...40 W/m*K, che è quasi la metà di quella della ghisa grigia.

Quando riscaldate, le conducibilità termiche degli acciai di classi diverse convergono. Il vetro ha una bassa conducibilità termica. I materiali polimerici conducono male il calore; la conduttività termica della maggior parte dei materiali termoplastici non supera 1,5 W/(mOK).

La conducibilità termica può variare allo stesso modo della conducibilità elettrica se la conducibilità termica elettronica del metallo è le. Quindi eventuali cambiamenti che si verificano nella composizione chimica e di fase e nella struttura della lega influiscono sulla conduttività termica e sulla conducibilità elettrica (secondo la regola Wiedemann-Franz).

Quando la composizione della lega si allontana dai componenti puri, la conduttività termica diminuisce. L'eccezione sono, ad esempio, le leghe rame-nichel, in cui si verificano i fenomeni opposti.

18. Dilatometria. Proprietà magnetiche di metalli e leghe. Metodi di determinazione

Dilatometria - branca della fisica; compito principale: studio dell'influenza delle condizioni esterne (temperatura, pressione, campi elettrici, magnetici, radiazioni ionizzanti) sulle dimensioni dei corpi. L'argomento principale di studio: la dilatazione termica dei corpi e le conseguenti anomalie.

metodo dilatometrico. Quando i metalli e le leghe vengono riscaldati, il volume e le dimensioni lineari del corpo cambiano: espansione termica. Se questi cambiamenti sono dovuti solo ad un aumento dell'energia delle vibrazioni atomiche dovuto ad un aumento della temperatura, allora quando la temperatura ritorna al livello precedente, vengono ripristinate anche le dimensioni originarie del corpo. Se le trasformazioni di fase si verificano nel corpo durante il riscaldamento (o il raffreddamento), i cambiamenti di dimensione possono essere irreversibili. I cambiamenti nelle dimensioni dei corpi associati al riscaldamento e al raffreddamento sono studiati su dispositivi speciali: i dilatometri.

Il metodo dilatometrico è un metodo mediante il quale vengono determinati i punti critici di metalli e leghe, vengono studiati i processi di decomposizione delle soluzioni solide e vengono stabiliti gli intervalli di temperatura per l'esistenza delle fasi di indurimento. Il vantaggio di questi strumenti è la loro elevata sensibilità e indipendenza delle letture dal tasso di variazione della temperatura.

L'elevata sensibilità dei metodi di misurazione elettrica è ampiamente utilizzata nello studio delle trasformazioni di fase, dei difetti di struttura fine e di altri fenomeni che si verificano nei metalli e nelle leghe che non possono essere studiati con altri metodi di ricerca. La resistenza elettrica viene misurata utilizzando vari circuiti a ponte, nonché metodi di compensazione. Vari metodi di analisi magnetica vengono utilizzati nello studio dei processi associati al passaggio dallo stato paramagnetico allo stato ferromagnetico (o viceversa), ed è possibile quantificare questi processi. L'analisi magnetica è ampiamente utilizzata per risolvere problemi di metallurgia pratica, come lo studio dell'effetto del trattamento termico, della deformazione e della lega sulla struttura. È anche possibile utilizzare l'analisi magnetica per risolvere alcuni problemi più complessi della metallurgia fisica.

Il metodo dell'attrito interno si basa sullo studio delle perdite di energia irreversibili delle vibrazioni meccaniche all'interno di un corpo solido. Utilizzando questo metodo è possibile calcolare i coefficienti di diffusione con elevata accuratezza, anche a basse temperature, dove nessun altro metodo è applicabile; determinare la variazione della concentrazione di soluzioni solide; distribuzione delle impurità; ottenere informazioni sulle trasformazioni di fase e polimorfiche e sui cambiamenti nella struttura della dislocazione.

Gli acciai magnetici duri e le leghe sono usati per produrre magneti permanenti. Per i magneti permanenti vengono utilizzati acciai ad alto tenore di carbonio con 1% C, legati con cromo (3%) EX3, nonché contemporaneamente con cromo e cobalto, EX5K5, EX9K15M2. Gli elementi di lega aumentano l'energia coercitiva e magnetica.

Le leghe di tipo Alnico sono ampiamente utilizzate nell'industria. Le leghe sono dure, fragili e non deformabili, quindi i magneti vengono ricavati da esse mediante fusione, quindi viene eseguita la rettifica.

I materiali si dividono in diamagneti, paramagneti e ferromagneti, a seconda del grado della loro suscettibilità magnetica e del loro segno.

I diamagneti hanno una suscettibilità magnetica negativa. La loro magnetizzazione è diretta opposta al campo magnetico applicato. Questo porta ad un indebolimento di questo campo. I semiconduttori (Si, Ge), i dielettrici (polimeri), alcuni metalli non di transizione (Be, Cu, Ag, Pb) sono diamagneti.

I paramagneti hanno una bassa magnetizzazione, che si verifica sotto l'influenza di un campo esterno. I paramagneti sono K, Na, Al e metalli di transizione Mo, W, Ti.

I ferromagneti sono caratterizzati da un'elevata suscettibilità magnetica. Questi includono: ferro, cobalto, nichel e gadolinio. Caratteristiche: induzione residua Vg, forza coercitiva Hc e permeabilità magnetica m = V/N.

Induzione residua - induzione magnetica, che rimane nel campione a causa della sua magnetizzazione e dell'ulteriore smagnetizzazione.

Forza coercitiva: la forza del campo magnetico del segno opposto, applicata al campione per smagnetizzarlo.

La permeabilità magnetica è la caratteristica principale dell'intensità di magnetizzazione. Determinata la tangente dell'angolo di inclinazione alla curva di magnetizzazione primaria B = f(H), si può calcolare la permeabilità magnetica. La lega YUNDK15 contiene 18–19% Ni, 8.5–9.5% Al, 14–15% Co e 3–4% Cu.

Gli acciai magnetici morbidi (acciaio elettrico) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79NM, 81NMA) sono utilizzati per la produzione di nuclei magnetici CC e CA. Sono destinati alla produzione di indotti e poli di macchine CC, rotori e statori di motori asincroni, ecc.

Gli acciai paramagnetici (17Kh18N9, 12Kh18N10T, 55G9N9Kh3, 40G14N9F2, 40Kh14N9Kh3YuF2, ecc.) sono richiesti nell'ingegneria elettrica, nella costruzione di strumenti, nella costruzione navale e nelle aree speciali della tecnologia.

Lo svantaggio di questi acciai è il loro basso carico di snervamento (150-350 MPa), che ne rende difficile l'uso per parti di macchine molto caricate.

19. Il valore delle proprietà meccaniche e fisiche nel funzionamento dei prodotti

Le proprietà come indicatori della qualità del materiale

Le proprietà dei metalli si dividono in fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche. Le proprietà fisiche includono: colore, gravità specifica, fusibilità, conducibilità elettrica, proprietà magnetiche, conducibilità termica, capacità termica, espandibilità quando riscaldato.

A chimica - ossidabilità, solubilità e resistenza alla corrosione. A meccanico: resistenza, durezza, elasticità, viscosità, plasticità.

Al tecnologico - temprabilità, fluidità, duttilità, saldabilità, lavorabilità.

La forza di un metallo è la sua capacità di resistere all'azione di forze esterne senza crollare. La durezza è la capacità di un corpo di resistere alla penetrazione di un altro corpo più solido in esso. Elasticità - la proprietà di un metallo di ripristinare la sua forma dopo la cessazione dell'azione di forze esterne che hanno causato un cambiamento di forma (deformazione).

La viscosità è la capacità di un metallo di resistere a forze esterne (shock) in rapido aumento. La viscosità è la proprietà opposta della fragilità.

La plasticità è la proprietà di un metallo di deformarsi senza distruzione sotto l'azione di forze esterne e di mantenere una nuova forma dopo la cessazione delle forze. La plasticità è la proprietà opposta dell'elasticità.

I metodi moderni per testare i metalli sono prove meccaniche, analisi chimiche, analisi spettrali, analisi metallografiche e a raggi X, campioni tecnologici, rilevamento dei difetti. Questi test offrono l'opportunità di avere un'idea della natura dei metalli, della loro struttura, composizione e proprietà, nonché di determinare la buona qualità dei prodotti finiti.

I test meccanici sono della massima importanza nell'industria.

I dettagli di macchine, meccanismi e strutture lavorano sotto carico. I carichi sulle parti sono di vario tipo: alcune parti sono caricate con una forza che agisce costantemente in una direzione, altre sono soggette a urti e in altre le forze cambiano più o meno spesso in grandezza e direzione.

Alcune parti di macchine sono sottoposte a carichi a temperature elevate, sotto l'azione della corrosione; tali parti funzionano in condizioni difficili.

In base a ciò, sono stati sviluppati vari metodi per testare i metalli, con l'aiuto dei quali vengono determinate le proprietà meccaniche. Le prove più comuni sono le prove statiche di trazione, dinamiche e di durezza.

Le prove statiche sono quelle prove in cui il metallo sottoposto a prova è sottoposto ad una forza costante o ad una forza che aumenta molto lentamente.

I test dinamici sono quei test in cui il metallo da testare è soggetto a un impatto oa una forza che aumenta molto rapidamente.

Inoltre, in alcuni casi, vengono eseguiti test di fatica, scorrimento e usura, che forniscono un quadro più completo delle proprietà dei metalli.

Le proprietà meccaniche sono resistenza sufficiente. I metalli hanno una resistenza maggiore rispetto ad altri materiali, quindi le parti caricate di macchine, meccanismi e strutture sono solitamente realizzate in metallo.

Per la produzione di molle e molle vengono utilizzati acciai speciali e leghe ad alta elasticità.

La plasticità dei metalli permette di lavorarli a pressione (forgiatura, laminazione).

Proprietà fisiche. Nella costruzione di aerei, automobili e vagoni ferroviari, il peso delle parti è spesso la caratteristica più importante, quindi le leghe di alluminio e magnesio sono particolarmente utili in questo caso.

La resistenza specifica per alcune leghe di alluminio è superiore a quella dell'acciaio dolce. La fusibilità viene utilizzata per realizzare fusioni versando metallo fuso negli stampi. I metalli a basso punto di fusione (piombo) sono usati come mezzo di indurimento per l'acciaio. Alcune leghe complesse hanno un basso punto di fusione che si scioglie in acqua calda. Tali leghe vengono utilizzate per la colata di matrici di stampa, in dispositivi che servono a proteggere dagli incendi.

I metalli ad alta conducibilità elettrica sono utilizzati in ingegneria elettrica, per la costruzione di linee elettriche, e leghe ad alta resistenza elettrica per riscaldatori elettrici a incandescenza.

Le proprietà magnetiche dei metalli svolgono un ruolo primario nell'ingegneria elettrica (motori elettrici, trasformatori), nella strumentazione elettrica (apparecchi telefonici e telegrafici).

La conducibilità termica dei metalli consente di produrre il loro riscaldamento uniforme per il trattamento a pressione, il trattamento termico; offre la possibilità di saldare i metalli, la loro saldatura.

Proprietà chimiche. La resistenza alla corrosione è particolarmente importante per i prodotti che operano in ambienti altamente ossidati (griglie, parti di macchine dell'industria chimica). Per ottenere un'elevata resistenza alla corrosione, vengono prodotti acciai speciali inossidabili, resistenti agli acidi e al calore e per i prodotti vengono utilizzati anche rivestimenti protettivi.

20. Tipi di fasi nelle leghe metalliche. Regola di fase; regola della leva

Un diagramma di stato è una rappresentazione grafica dello stato di qualsiasi lega del sistema in esame, in funzione della sua concentrazione e temperatura.

Lo studio di qualsiasi lega inizia con la costruzione e l'analisi del diagramma di stato del sistema corrispondente. Il diagramma di stato permette di studiare le fasi e le componenti strutturali della lega. Utilizzando il diagramma di stato, è possibile stabilire la possibilità del trattamento termico e le sue modalità, le temperature di colata, la deformazione plastica a caldo.

In ogni sistema, il numero di fasi in equilibrio dipende dalle condizioni interne ed esterne. Le leggi di tutti i cambiamenti che si verificano nel sistema sono soggette alla legge generale dell'equilibrio, che è chiamata regola di fase o legge di Gibbs. La regola delle fasi esprime la relazione tra il numero di gradi di libertà C (varianza) del sistema, il numero di componenti K e il numero di fasi del sistema Ф che sono in equilibrio.

I gradi di libertà sono chiamati parametri termodinamici indipendenti, a cui possono essere assegnati valori arbitrari (in un certo intervallo) in modo che gli stati di fase non cambino (le vecchie fasi non scompaiono e le nuove non appaiano).

Di solito, tutte le trasformazioni in metalli e leghe avvengono a pressione atmosferica costante. Quindi la regola della fase è scritta come segue: C \u1d K - F + XNUMX.

L'equazione della regola di fase consente di correggere la correttezza della costruzione dei diagrammi di stato.

Una fase è una parte omogenea del sistema, che è separata dalle altre parti del sistema (fasi) dall'interfaccia, quando passa attraverso la quale la composizione chimica o la struttura della sostanza cambia bruscamente.

Un liquido omogeneo è un sistema monofase e una miscela meccanica di due cristalli è un sistema bifase, poiché ogni cristallo differisce dall'altro per composizione o struttura e sono separati l'uno dall'altro da un'interfaccia.

I componenti sono le sostanze che compongono il sistema.

La costruzione dei diagrammi di stato viene effettuata con vari metodi sperimentali. Viene spesso utilizzata l'analisi termica. Diverse leghe di questo sistema sono selezionate con diversi rapporti di massa dei loro componenti. Le leghe vengono poste in crogioli refrattari e riscaldate in un forno. Dopo la fusione delle leghe, i crogioli con le leghe vengono raffreddati lentamente e viene fissata la velocità di raffreddamento. Sulla base dei dati ottenuti, le curve termiche sono costruite in coordinate tempo-temperatura. Come risultato delle misure, si ottengono una serie di curve di raffreddamento, sulle quali si osservano punti di inflessione e arresti di temperatura alle temperature di trasformazione di fase. Le temperature corrispondenti alle trasformazioni non di fase sono chiamate punti critici. I punti corrispondenti all'inizio della cristallizzazione sono detti punti liquidus, mentre i punti corrispondenti alla fine della cristallizzazione sono detti punti solidus. Sulla base delle curve di raffreddamento ottenute per varie leghe del sistema in esame, viene costruito un diagramma di fase in coordinate; lungo l'asse delle ascisse - concentrazione dei componenti, lungo l'asse delle ordinate - temperatura.

Nel processo di cristallizzazione, sia la concentrazione delle fasi che la quantità di ciascuna fase cambiano. In qualsiasi punto del diagramma, quando nella lega esistono due fasi contemporaneamente, è possibile determinare la quantità di entrambe le fasi e la loro concentrazione. Per questo viene utilizzata la regola della leva finanziaria o la regola dei segmenti.

Regola del segmento. Questo diagramma copre le leghe i cui componenti formano miscele dei loro grani praticamente puri con solubilità reciproca trascurabile. L'ascissa mostra la percentuale di componente B nella lega.

La struttura delle fasi delle leghe nel diagramma dipende dalla temperatura. Con l'azione termodinamica dei componenti l'uno sull'altro, la temperatura del loro passaggio allo stato liquido diminuisce, raggiungendo un certo minimo ad una composizione determinata per ciascuna coppia di componenti. La composizione della lega può essere determinata proiettando il punto C sull'asse delle ascisse (punto Ve). Una lega di due componenti che fonde a una temperatura minima è chiamata eutettica o eutettica.

L'eutettico è una miscela uniforme di piccoli grani cristallizzati contemporaneamente di entrambi i componenti. La temperatura alla quale entrambi i componenti fondono o cristallizzano contemporaneamente è chiamata temperatura eutettica.

I cambiamenti quantitativi nelle leghe di un dato sistema di componenti durante la cristallizzazione obbediscono alla regola dei segmenti.

Per determinare le concentrazioni dei componenti nelle fasi, si traccia una linea orizzontale attraverso un dato punto che caratterizza lo stato della lega fino ad incrociarsi con le linee che delimitano tale area; le proiezioni dei punti di intersezione sull'asse di concentrazione mostrano le composizioni delle fasi.

Disegnando una linea orizzontale attraverso un dato punto, puoi determinare il rapporto quantitativo delle fasi. I segmenti di questa linea tra il punto dato ed i punti che determinano la composizione delle fasi sono inversamente proporzionali alle quantità di queste fasi.

La regola del segmento nei diagrammi a doppio stato viene utilizzata solo nelle aree a due fasi. In una regione monofase c'è solo una fase; qualsiasi punto all'interno della regione ne caratterizza la concentrazione.

21. Soluzioni solide di sostituzione e inserimento; fasi intermedie; sovrastrutture

Le soluzioni solide sono fasi in cui uno dei componenti della lega mantiene il suo reticolo cristallino, mentre gli atomi degli altri componenti si trovano nel reticolo del primo componente, modificandone le dimensioni (periodi). La soluzione solida, che consiste di due componenti, ha un tipo di reticolo e rappresenta una fase.

Distinguere tra soluzioni solide di sostituzione e soluzioni solide interstiziali. Quando si forma una soluzione solida sostitutiva, gli atomi del componente disciolto sostituiscono alcuni degli atomi del solvente nel suo reticolo cristallino.

Durante la cristallizzazione di un metallo puro, ci sono due fasi nel sistema: liquido (metallo fuso) e solido (grani di metallo solidificato). Nelle leghe dure, le fasi sono grani di metallo puro, grani di soluzioni solide e grani di composti chimici.

Alcuni metalli, che variano notevolmente nella dimensione atomica, non si dissolvono allo stato liquido e pochi metalli si dissolvono allo stato liquido in misura limitata.

Nella formazione delle leghe durante la loro solidificazione sono possibili varie interazioni dei componenti.

Se nel processo di cristallizzazione la forza di interazione tra atomi omogenei risulta essere maggiore della forza di interazione tra atomi eterogenei, dopo la cristallizzazione si forma una miscela meccanica, costituita da grani di metalli puri. In questo caso, nella lega dura saranno presenti grani di un metallo puro e accanto a loro grani di un altro metallo puro. Questa forma di interazione si verifica quando c'è una grande differenza nelle proprietà dei metalli inclusi nella lega.

Un'altra forma di interazione tra le sostanze che compongono la lega è la formazione di soluzioni solide.

Le soluzioni solide sono tali fasi solide in cui i rapporti tra i componenti possono cambiare. In una soluzione solida, così come nei metalli puri, gli atomi nello spazio sono disposti regolarmente, formando un reticolo cristallino. Questo è ciò che li distingue dalle soluzioni liquide. In una soluzione solida, una delle sostanze che compongono la lega conserva il suo reticolo cristallino e la seconda sostanza, avendo perso la sua struttura cristallina, si distribuisce sotto forma di singoli atomi nel reticolo cristallino della prima. La prima sostanza è un solvente e la seconda è solubile. A seconda della natura le distribuzioni di atomi di un elemento solubile distinguono tra soluzioni solide di interstiziale, sostituzione e sottrazione. Indipendentemente dal tipo di soluzione solida, hanno in comune che sono monofase ed esistono in un intervallo di concentrazioni. Le soluzioni solide sono caratterizzate da legami metallici. Nelle soluzioni solide interstiziali, gli atomi dell'elemento solubile sono distribuiti nel reticolo cristallino del metallo solvente, occupando posti tra i suoi atomi.

In precedenza è stato notato che nei metalli gli atomi nel reticolo cristallino si trovano uno vicino all'altro e i vuoti tra di loro sono piccoli. Solo atomi con dimensioni molto piccole possono essere ospitati in tali vuoti.

Alcuni metalloidi - idrogeno, azoto, carbonio, boro - hanno le dimensioni più piccole degli atomi, che formano soluzioni solide interstiziali con i metalli. Ma anche in questi elementi, la dimensione degli atomi supera in qualche modo la dimensione degli spazi interatomici nel reticolo cristallino dei metalli, quindi, quando si formano soluzioni solide interstiziali, il reticolo è distorto e in esso sorgono sollecitazioni. In questo caso, la concentrazione della soluzione solida interstiziale non può essere elevata: raramente supera l'1–2%.

Nelle soluzioni solide sostitutive, gli atomi dell'elemento solubile prendono il posto degli atomi del metallo base. Gli atomi estranei possono sostituire gli atomi del solvente in qualsiasi luogo, quindi tali soluzioni sono chiamate soluzioni solide disordinate. Le dimensioni degli atomi dell'elemento solubile differiscono dalle dimensioni dell'atomo di solvente (sono più grandi o più piccole), quindi, quando si forma una soluzione solida sostitutiva, il reticolo cristallino del metallo solvente viene leggermente distorto senza perdere la sua struttura di base .

Le soluzioni solide di sostituzione possono essere limitate e illimitate. Una delle condizioni per la solubilità illimitata è il fattore di dimensione: maggiore è la differenza di raggi atomici, minore è la solubilità.

Con una diminuzione della temperatura nelle soluzioni solide sostitutive, può verificarsi un processo di ridistribuzione degli atomi, a seguito del quale gli atomi dell'elemento disciolto occuperanno posti rigorosamente definiti nel reticolo del solvente. Tali soluzioni solide sono chiamate soluzioni solide ordinate e la loro struttura è chiamata sovrastruttura.

La temperatura di transizione di uno stato disordinato in uno stato ordinato è chiamata punto di Kurnakov. Le soluzioni solide ordinate sono caratterizzate da maggiore durezza, minore plasticità e resistenza elettrica. Possono essere considerate fasi intermedie tra soluzioni solide e composti chimici.

22. Sistema a solubilità illimitata allo stato liquido e solido; sistemi eutettici, peritettici e monotettici. Sistemi con polimorfismo delle componenti e trasformazione eutettoide

La completa solubilità reciproca allo stato solido è possibile quando entrambi i componenti hanno gli stessi reticoli cristallini e i diametri atomici dei componenti differiscono leggermente per dimensioni. Tale diagramma ha una forma semplice ed è costituito da due linee liquidus e solidus che si intersecano nei punti di cristallizzazione dei componenti puri A e B. Tutte le leghe solidificano in un determinato intervallo di temperatura (C = 1).

Se il processo di cristallizzazione procede in condizioni di raffreddamento accelerato, che avviene solitamente durante la produzione di pezzi fusi e lingotti, allora il livellamento per diffusione della composizione dei cristalli precipita a temperature superiori a t₃, non ha il tempo di verificarsi, a seguito della quale si ottiene una composizione disuguale non solo nei singoli cristalli, ma in ciascuno di essi. Le parti interne del cristallo saranno più ricche del componente refrattario B, quelle esterne - del componente A. Questo fenomeno di disomogeneità della composizione chimica è chiamato

I primi cristalli sulla superficie del lingotto saranno arricchiti nel componente B e gli ultimi cristalli formati al centro del lingotto saranno arricchiti nel componente A. Di conseguenza, nel lingotto si verifica una macrosegregazione.

La segregazione gioca un ruolo negativo, soprattutto nei casi in cui le impurità nocive sono distribuite in modo non uniforme. L'aumento del contenuto di impurità nocive può portare alla distruzione prematura delle parti.

Avendo un diagramma di fase, si possono tracciare le trasformazioni di fase di qualsiasi lega e indicare la composizione e il rapporto quantitativo delle fasi a qualsiasi temperatura. Questo viene fatto con due semplici regole.

La composizione chimica dei cristalli precipitati, al diminuire della temperatura, cambia lungo la linea di solidus da x_е fino a x_с. Allo stesso tempo, la composizione della fase liquida cambia lungo la linea del liquidus da x_с fino a x_i Ciò dà motivo di formulare regole per determinare la composizione delle fasi (la regola delle concentrazioni) e il rapporto quantitativo delle fasi (la regola dei segmenti).

Componenti: A e B; fasi: W,α,β, dove α è una soluzione solida di atomi del componente B nel reticolo cristallino del componente A, e β è una soluzione solida di atomi del componente A nel reticolo cristallino del componente B.

A seconda dell'interazione di queste tre fasi, sono possibili due tipi di diagrammi: un diagramma con un eutettico e un diagramma con una peritettica.

Diagramma di stato con eutettico. La linea ALL è la linea liquidus, la linea EVSKE è la linea solidus. Le linee VM e CG mostrano la solubilità limitante dei componenti. Come nei casi precedenti, il processo di cristallizzazione di qualsiasi lega può essere seguito utilizzando la regola delle fasi e la regola dei segmenti.

Un sistema è un insieme di fasi allo stato solido o liquido che sono in equilibrio in determinate condizioni esterne (temperatura e pressione).

Diverse forme allotropiche sono solitamente indicate dalle lettere dell'alfabeto greco α, β, γ, che vengono aggiunte come indici al simbolo che denota l'elemento. La forma allotropica, che è stabile alla temperatura più bassa, è indicata dalla lettera α, che esiste a una temperatura più alta, β, quindi γ. Un esempio di trasformazione allotropica dovuta a una variazione di pressione è la modifica della struttura cristallina del carbonio, che può esistere sotto forma di grafite e diamante. Il polimorfismo è di grande importanza pratica. Utilizzando questo fenomeno, è possibile rafforzare o ammorbidire le leghe mediante trattamento termico.

Di grande interesse pratico sono le leghe in cui uno o entrambi i componenti hanno trasformazioni polimorfiche. In queste leghe, per effetto del trattamento termico, è possibile ottenere stati metastabili della struttura con nuove proprietà.

Dopo la cristallizzazione di tutte le leghe di questo sistema in un determinato intervallo di temperatura, si forma una soluzione solida γ che, quando la temperatura scende al di sotto di t₃ subisce una trasformazione eutettoide γ_C → a_E + β

La miscela risultante di due fasi solide è chiamata eutettoide. A causa della solubilità variabile dei componenti nelle soluzioni solide α e β, un ulteriore raffreddamento è seguito da una precipitazione secondaria delle soluzioni solide β_II e α_II.

Alcuni elementi modificano la loro struttura cristallina, cioè il tipo di reticolo cristallino, a seconda dei cambiamenti delle condizioni esterne - temperatura e pressione. L'esistenza della materia in varie forme cristalline, a seconda delle condizioni esterne, è determinata dalla sua tendenza a uno stato con un minore apporto di energia libera. Questo fenomeno è chiamato polimorfismo o allotropia. Ogni tipo di reticolo rappresenta una modifica o modifica allotropica. Ogni modifica ha il proprio intervallo di temperatura in cui è stabile.

Nelle trasformazioni polimorfiche dei metalli, la temperatura è di primaria importanza. La trasformazione di una forma allotropica in un'altra avviene a temperatura costante, detta temperatura di trasformazione polimorfica, ed è accompagnata da un effetto termico, simile ai fenomeni di fusione-solidificazione o evaporazione-condensazione. Ciò è dovuto alla necessità di spendere una certa quantità di energia per il riarrangiamento del reticolo cristallino.

I volumi atomici e, di conseguenza, le energie totali di varie modifiche, di regola, differiscono poco, ma ci sono delle eccezioni.

23. Sistema a triplo eutettico e quasi completa assenza di solubilità dei componenti allo stato solido; sezioni isotermiche e politermiche

I diagrammi di stato delle leghe binarie sono costruiti su un piano: la concentrazione dei componenti è tracciata lungo l'asse delle ascisse, la temperatura per le leghe ternarie è tracciata lungo l'asse delle ordinate. Più comune è l'immagine spaziale.

Un triangolo equilatero, chiamato triangolo di concentrazione, viene utilizzato come base del diagramma. La temperatura è tracciata lungo un asse perpendicolare al piano del triangolo di concentrazione. I vertici del triangolo corrispondono alle concentrazioni corrispondenti alle componenti pure A, B e C del sistema in esame.

Ai lati del triangolo sono tracciate le concentrazioni delle due componenti corrispondenti: A-B, B-C, C-A. Ogni punto all'interno del triangolo corrisponde alla composizione di una particolare lega ternaria. La composizione delle leghe è determinata in base al noto teorema in un triangolo equilatero, la somma di tre perpendicolari scese da un punto qualsiasi K, giacente all'interno del triangolo, ai suoi lati, è uguale all'altezza del triangolo.

L'altezza del triangolo è assunta pari al 100%, quindi le perpendicolari Ka, Kc e Kb caratterizzeranno le concentrazioni dei singoli componenti della lega ternaria. La quantità di ogni componente è determinata dal valore della perpendicolare abbassata al lato opposto, cioè la quantità della componente C è determinata dalla perpendicolare Kc, componente A-Ka, componente B-Kb.

Più spesso, la composizione delle leghe è determinata non dai valori delle perpendicolari, ma dai valori dei segmenti tagliati ai lati del triangolo da linee parallele ai lati del triangolo, cioè lungo il segmenti Aa, Be e CJ. Il segmento Ad corrisponde alla concentrazione del componente B, del segmento Be-componente C. e del segmento C ^ componente A. La concentrazione è determinata in senso orario, ma può essere determinata anche in direzione opposta.

L'interazione dei componenti nelle leghe ternarie è simile a quella doppia: è possibile la formazione di miscele meccaniche, soluzioni solide e composti chimici: sono possibili reazioni eutettiche e peritettiche, trasformazioni polimorfiche. La differenza è che nei sistemi binari le trasformazioni sono indicate da linee e punti, e nei sistemi ternari da piani e linee. Ad esempio, non una linea liquidus, ma una superficie liquidus (o una superficie solidus), non una linea eutettica, ma una superficie eutettica. La composizione di un doppio eutettico non è determinata da un punto, ma da una linea. E solo il triplo eutettico è proiettato sul piano del triangolo da un punto. Tutto questo può essere rintracciato studiando due diagrammi tipici dello stato delle leghe di tre componenti.

A differenza dei doppi diagrammi, i diagrammi ternari consentono di effettuare analisi di fase e strutturali di vere leghe tecniche, che, di regola, sono tri o più componenti.

Il modello del sistema ternario è un prisma triedrico appoggiato su un triangolo equilatero. La parte superiore del prisma è la superficie del liquidus. In un sistema ternario, dove tutti e tre i componenti sono infinitamente solubili sia allo stato liquido che allo stato solido, la superficie del liquidus ha la forma più semplice: è la superficie di un chicco di lenticchia tagliato da tre lati. In tutti gli altri casi questa superficie risulta essere complessa, costituita da più superfici che si intersecano, quindi lo studio dei sistemi ternari presenta alcune difficoltà metodologiche.

La base del prisma triedrico è un triangolo equilatero, sul quale le concentrazioni sono segnate dalle facce laterali del diagramma di stato dei sistemi binari, e l'altezza è la temperatura. La scelta di un triangolo equilatero è spiegata dal fatto che in esso le concentrazioni di tutti i componenti possono essere mostrate sulla stessa scala. Ai vertici di questo triangolo si trovano i componenti A, B e C della lega, cioè rispettivamente 100% A, 100% B e 100% C. Le concentrazioni di leghe binarie sono annotate sui rispettivi lati del triangolo e le concentrazioni di leghe ternarie sono indicate come punti all'interno dell'area del triangolo.

Esistono diversi modi per determinare la concentrazione di qualsiasi lega ternaria. Per determinare la percentuale del componente A, è necessario tracciare dal punto K una linea parallela al lato opposto (BC) del triangolo, finché non interseca con il lato - la scala del componente A. Per trovare la percentuale del componente B , è necessario tracciare una linea dal punto K parallela al lato opposto (AC) , finché non interseca con il lato AB - la scala del componente B. In modo simile, puoi impostare la percentuale del componente C. Dovrebbe tenere presente che la concentrazione totale A + B + C \u100d XNUMX%.

Per spiegare le trasformazioni di fase nei sistemi ternari, vengono utilizzate le sezioni: verticale (politermico) e orizzontale (isotermico). Ciascuna sezione orizzontale caratterizza lo stato di equilibrio alla temperatura selezionata e può essere utilizzata per calcoli quantitativi. I punti che indicano le composizioni di equilibrio delle fasi si trovano sul piano di sezione. La sezione verticale mostra la sequenza delle trasformazioni di fase nelle leghe durante il riscaldamento o il raffreddamento per un determinato intervallo di concentrazioni dei componenti. Non ci sono informazioni sulle composizioni di equilibrio delle fasi su queste sezioni trasversali.

24. La regola della leva e il baricentro del triangolo

Utilizzando il diagramma di fase, è possibile determinare per qualsiasi temperatura non solo il numero di fasi, ma anche la loro composizione e il rapporto quantitativo. Per fare ciò, applica la regola dei segmenti (la regola della leva).

Questa regola può essere utilizzata per diagrammi in cui le leghe sono in uno stato bifasico. La prima regola dei segmenti è la determinazione della composizione delle fasi.

La struttura delle fasi delle leghe nel diagramma dipende dalla temperatura. Con l'azione termodinamica dei componenti l'uno sull'altro, la temperatura del loro passaggio allo stato liquido diminuisce, raggiungendo un certo minimo ad una composizione determinata per ciascuna coppia di componenti. La composizione della lega può essere determinata proiettando il punto C sull'asse x (punto B 3). Una lega di due componenti che fonde a una temperatura minima è chiamata eutettica o eutettica. L'eutettico è una miscela uniforme di piccoli grani cristallizzati contemporaneamente di entrambi i componenti. La temperatura alla quale entrambi i componenti fondono contemporaneamente è chiamata temperatura eutettica.

Sul diagramma di stato, le temperature al di sopra delle quali le leghe si trovano allo stato liquido giacciono sulla linea DIA, chiamata linea del liquidus. Il passaggio delle leghe dallo stato liquido allo stato solido durante la cristallizzazione avviene nell'intervallo di temperatura compreso tra la linea di liquidus e la temperatura eutettica, che corrisponde alla linea DCE solidus. In questo caso, da ciascuna lega, al diminuire della temperatura, dapprima il componente, la cui quantità eccede la concentrazione eutettica, passa nella fase solida. Nelle leghe ipoeutettiche, la regione bifasica ACD contiene un eccesso di componente A e la fase liquida G, e nella regione ipereutettica BSE sono presenti rispettivamente la fase solida B e liquida. In entrambi i casi, la fase G è una soluzione liquida di entrambi i componenti.

Man mano che la temperatura diminuisce e si avvicina ad essa, la composizione della fase non cristallizzata si avvicina all'eutettica.In questo caso, meno la lega differisce nella composizione dall'eutettica, più basso è il suo punto di liquidus e più l'eutettico si solidifica in essa.

I cambiamenti quantitativi nelle leghe di un dato sistema di componenti durante la cristallizzazione obbediscono alla regola dei segmenti. La quantità di ogni componente strutturale, da cui dipendono le proprietà, può essere calcolata con la regola dei segmenti in relazione alla temperatura eutettica. Nel valutare le proprietà di resistenza, va tenuto presente che la parte della lega, che è rappresentata dall'eutettico, ha una resistenza maggiore rispetto alla parte rappresentata dai grani più grandi della fase in eccesso.

Determinare la composizione delle fasi per una lega a diverse temperature al punto n.Per fare ciò, attraverso il punto n, che caratterizza lo stato di questa lega alla temperatura t_n, è necessario tracciare una linea orizzontale (konoda) fino a quando non si interseca con le linee del diagramma di stato che delimita questa regione a due fasi. Punti di intersezione l₂ e s₂ sono proiettati sull'asse di concentrazione. Proiezione puntuale l₂ punto l₂ mostrerà la composizione della fase liquida e i punti s₂ - punti₂ - fase solida. Per determinare la composizione delle fasi a qualsiasi temperatura, è necessario tracciare un conodo attraverso questo punto e proiettare i punti di intersezione con il liquidus e il solidus sull'asse di concentrazione. La composizione della fase liquida cambia lungo la linea del liquidus e la fase solida - lungo la linea del solidus.

A temperature inferiori alla linea del solidus, la composizione di fase di tutte le leghe del sistema considerato è costituita da grani di entrambi i componenti: A+B. Ci sono piccoli grani A e B presenti in qualsiasi lega, che costituiscono l'eutettico, e grandi grani di fasi in eccesso - componenti A o B, rispettivamente, nelle leghe ipoeutettiche e ipereutettiche.

Utilizzando la seconda posizione della regola dei segmenti, determinare il rapporto quantitativo delle fasi per qualsiasi temperatura. Il numero (massa) delle fasi è inversamente proporzionale ai segmenti del conodo condotto.

La regola dei segmenti (leva) consente di determinare la composizione e la quantità di fasi solide e liquide della lega, che si trova nell'intervallo di cristallizzazione. Dal diagramma di stato è possibile determinare non solo il numero di fasi di una particolare lega a una data temperatura, ma anche la quantità relativa di ciascuna fase. Per determinare il numero di fasi, ad esempio una lega Pb - Sb contenente 72% Sb, ad una data temperatura, è necessario tracciare una perpendicolare da un punto sull'asse di concentrazione corrispondente al contenuto di 72% Sb, e un linea orizzontale corrispondente ad una data temperatura t_зад. Come risultato dell'intersezione delle linee, otteniamo il punto K. Continuiamo la linea orizzontale passante per il punto K fino a quando non si interseca con le linee del diagramma, otteniamo i punti l e S. Il punto l corrisponde alla fase liquida del lega (giace sulla linea liquidus), temperature di puro antimonio).

Regola a leva.

1. La quantità della fase solida è uguale al rapporto tra la lunghezza del braccio adiacente alla fase liquida e la lunghezza dell'intera leva.

2. La quantità della fase liquida è uguale al rapporto tra la lunghezza del braccio adiacente alla fase solida e la lunghezza dell'intera leva.

25. Dipendenza delle proprietà meccaniche e fisiche dalla composizione in sistemi di vario tipo

Una proprietà è una caratteristica quantitativa o qualitativa di un materiale che ne determina la comunanza o la differenza con altri materiali.

Esistono tre gruppi principali di proprietà: operative, tecnologiche e di costo, che sono alla base della scelta del materiale, determinano la fattibilità tecnica ed economica del suo utilizzo.

Le proprietà prestazionali sono fondamentali. Le prestazioni di molte parti di macchine e prodotti forniscono un livello di proprietà meccaniche.

Le proprietà meccaniche caratterizzano il comportamento di un materiale sotto l'azione di un carico esterno. Poiché le condizioni di carico delle parti della macchina sono estremamente diverse, le proprietà meccaniche includono un ampio gruppo di indicatori.

Le prestazioni di un gruppo separato di parti della macchina dipendono non solo dalle proprietà meccaniche, ma anche dalla resistenza all'azione di un ambiente di lavoro chimicamente attivo. Se un tale impatto diventa significativo, le proprietà fisico-chimiche del materiale - resistenza al calore e resistenza alla corrosione - diventano decisive.

Le proprietà meccaniche caratterizzano la resistenza di un materiale alla deformazione, alla distruzione o ad una caratteristica del suo comportamento nel processo di distruzione. Questo gruppo di proprietà include indicatori di resistenza, rigidità (elasticità), plasticità, durezza e viscosità. Il gruppo principale di tali indicatori sono le caratteristiche standard delle proprietà meccaniche, che sono determinate in condizioni di laboratorio su campioni di dimensioni standard. Gli indicatori delle proprietà meccaniche ottenuti durante tali prove valutano il comportamento dei materiali sotto carico esterno senza tener conto del progetto della parte e delle loro condizioni operative. Inoltre, vengono determinati gli indicatori di resistenza strutturale, che sono nella massima correlazione con le proprietà di servizio di un particolare prodotto e valutano le prestazioni del materiale in condizioni operative.

Le proprietà meccaniche dei materiali caratterizzano la possibilità del loro utilizzo in prodotti azionati sotto l'influenza di carichi meccanici. I principali indicatori di tali proprietà sono i parametri di resistenza, la durezza e le caratteristiche tribologiche. Non sono costanti "pure" dei materiali, ma dipendono in modo significativo dalla forma, dalle dimensioni e dallo stato della superficie dei campioni, nonché dalle modalità di prova, principalmente dalla velocità di caricamento, dalla temperatura, dall'esposizione ai media e da altri fattori. L'elevata durezza del metallo è importante nella fabbricazione di prodotti da taglio. Molto spesso, per tali prodotti vengono utilizzati acciai per utensili.

Forza: la proprietà dei materiali di resistere alla distruzione, nonché il cambiamento irreversibile della forma sotto l'influenza di carichi esterni. È dovuto alle forze di interazione delle particelle atomiche che compongono il materiale. La forza dell'interazione di due atomi vicini dipende dalla distanza tra di loro, se trascuriamo l'influenza degli atomi circostanti.

La deformazione è un cambiamento nella disposizione relativa delle particelle in un materiale. I suoi tipi più semplici sono: trazione, compressione, flessione, torsione, taglio. Deformazione: un cambiamento nella forma e nelle dimensioni del campione o delle sue parti a seguito della deformazione.

Il limite di proporzionalità è la sollecitazione alla quale lo scostamento dalla relazione lineare tra sollecitazioni e deformazioni raggiunge un certo valore stabilito dalle specifiche.

Importanti proprietà fisiche dei materiali che vengono prese in considerazione quando si utilizzano materiali sono la densità, la capacità termica, la conducibilità termica, l'espansione termica e la conduttività elettrica. Le speciali proprietà magnetiche di ferro, nichel, cobalto e loro leghe, così come ferriti, li hanno individuati in un gruppo di materiali di valore eccezionale: ferro e ferrimagneti.

Le proprietà fisiche sono determinate dal tipo di legame interatomico e dalla composizione chimica dei materiali, dalla temperatura e dalla pressione. Per la maggior parte dei processi di lavorazione dei materiali, le pressioni non superano i 500 MPa. Tali pressioni praticamente non influiscono sui valori delle proprietà fisiche. Ci sono proprietà fisiche dipendenti e indipendenti dalla struttura del materiale. I valori di quest'ultimo sono determinati solo dalla composizione chimica del materiale e dalla temperatura.

Proprietà fisiche dei metalli: colore, densità, punto di fusione, conduttività termica ed elettrica, capacità di essere magnetizzati, ecc. Il rame, ad esempio, è un metallo rosso e rosa in una frattura; alluminio bianco-argento; il piombo è grigio chiaro. Una caratteristica importante delle proprietà fisiche è la conducibilità elettrica. Il rame ha la più alta conduttività elettrica dopo l'argento. L'alluminio ha una bassa densità, quindi le parti in alluminio e le leghe a base di esso sono ampiamente utilizzate nella costruzione di automobili e trattori. Il rame e l'alluminio, che hanno un'elevata conduttività elettrica, vengono utilizzati per realizzare conduttori (avvolgimenti di trasformatori, linee elettriche). Anche il peso del prodotto o della parte gioca un ruolo importante e funge da caratteristica principale.

26. Selezione di leghe per uno scopo specifico sulla base dell'analisi dei diagrammi di stato

I metalli puri sono usati nell'ingegneria elettrica e radio (conduttori, elettrovuoto). Principale

i materiali strutturali sono leghe metalliche. Una lega è una sostanza ottenuta fondendo due o più elementi (componenti). Una lega composta principalmente da elementi metallici e con proprietà metalliche è chiamata lega metallica. Pseudo-leghe - leghe create per sinterizzazione, sublimazione, elettrolisi.

Le leghe metalliche possono essere ottenute mediante metallurgia delle polveri, diffusione e altri metodi. L'uso predominante delle leghe metalliche nella tecnologia è spiegato dal fatto che hanno complessi più preziosi di proprietà meccaniche, fisiche e tecnologiche rispetto ai metalli puri. I concetti principali nella teoria delle leghe sono: sistema, componente, fase, varianza.

Sistema - un gruppo di organismi assegnati all'osservazione e allo studio. Nella scienza dei metalli i sistemi sono metalli e leghe metalliche. Il metallo puro è un sistema semplice. Le leghe sono costituite da due o più componenti e sono sistemi complessi.

I componenti sono chiamati sostanze che formano un sistema, presi in numero minore. Nelle leghe metalliche, i componenti possono essere elementi (metallici e non metallici) e composti chimici.

Una fase è una parte omogenea del sistema, separata da un'altra parte del sistema (fase) da un'interfaccia, al passaggio attraverso la quale la composizione chimica o la struttura cambia bruscamente. Ad esempio, durante la cristallizzazione di un metallo puro, ci sono due fasi nel sistema: liquido (metallo fuso) e solido (granuli di metallo solidificato). Nelle leghe dure, le fasi possono essere grani di metallo puro, grani di soluzione solida e grani di composti chimici.

Varianza: il numero di fattori interni ed esterni che possono essere modificati con un numero costante di fasi nel sistema.

Tutti i metalli allo stato liquido si dissolvono l'uno nell'altro in qualsiasi rapporto. Come risultato della dissoluzione, si forma una soluzione liquida omogenea con una distribuzione uniforme di atomi di un metallo tra gli atomi di un altro metallo. A causa di questa interazione, in pratica, per distribuire uniformemente le sostanze nella lega, di norma si ricorre alla fusione delle stesse. Solo pochissimi metalli, principalmente quelli con dimensioni atomiche molto diverse, non si dissolvono allo stato liquido. Inoltre, pochi metalli si dissolvono allo stato liquido in misura limitata. Nella formazione delle leghe durante la loro solidificazione sono possibili varie interazioni dei componenti. Se nel processo di cristallizzazione la forza di interazione tra atomi omogenei risulta essere maggiore della forza di interazione tra atomi eterogenei, dopo la cristallizzazione si forma una miscela meccanica, costituita da grani di metalli puri. In questo caso, nella lega dura saranno presenti grani di un metallo puro e accanto a loro grani di un altro metallo puro. Questa forma di interazione si verifica quando c'è una grande differenza nelle proprietà dei metalli inclusi nella lega.

Un'altra forma di interazione tra le sostanze che compongono la lega è la formazione di soluzioni solide.

Le soluzioni solide sono anche suddivise in base al grado di solubilità dei componenti in soluzioni con solubilità limitata dei componenti e con solubilità illimitata.

La costruzione di diagrammi di stato viene eseguita con vari metodi sperimentali. Il metodo più utilizzato è l'analisi termica. L'essenza sperimentale di questo metodo è la seguente. Diverse leghe di questo sistema sono selezionate con diversi rapporti di massa dei loro componenti.

Ci sono leghe - miscele meccaniche che si formano quando è impossibile dissolvere i componenti che sono allo stato solido. Questi componenti non possono formare composti attraverso una reazione chimica. Le miscele meccaniche includono elementi con proprietà e struttura diverse. La composizione della lega comprende cristalli di componenti che formano reticoli cristallini.

I composti chimici sono leghe formate da diversi elementi contenenti atomi dissimili, tra i quali la forza di interazione è molto più alta che tra atomi omogenei.

27. Struttura e proprietà del ferro; diagrammi di fase ferro-carbonio metastabili e stabili. Formazione della struttura degli acciai al carbonio. Determinazione del contenuto di carbonio nell'acciaio per struttura

Le leghe di ferro e carbonio sono i materiali metallici più comuni. Il diagramma di stato ferro-carbonio dà un'idea della struttura delle leghe ferro-carbonio - acciai e ghise.

Il ferro puro è un metallo argentato leggero, praticamente inalterato dall'ossidazione. Numero atomico 26, peso atomico 55,85. Il ferro tecnicamente puro contiene lo 0,10-0,15% di tutte le impurità. Le proprietà del ferro dipendono dal suo grado di purezza. Punto di fusione - 1539 ° C, densità - 7,85 g / cm³. Il ferro ha una bassa durezza e resistenza e una buona duttilità. Il ferro puro è meno durevole della ghisa o dell'acciaio.

Il ferro forma soluzioni con molti elementi: con metalli - soluzioni di sostituzione, con carbonio, azoto e idrogeno - soluzioni interstiziali. La solubilità del carbonio nel ferro dipende dalla forma cristallina del ferro.

Quando il carbonio si scioglie nel ferro, si formano soluzioni solide. La ferrite è una soluzione ottenuta sciogliendo il carbonio in una modifica a bassa temperatura del ferro. È caratterizzato da bassa durezza ed elevata duttilità. Il carbonio, dissolvendosi nella modifica ad alta temperatura del ferro, forma l'austenite plastica.

Il carbonio si presenta in natura sotto forma di due modificazioni: sotto forma di diamante, che ha un reticolo cubico complesso, e sotto forma di grafite, che ha un semplice reticolo esagonale.

La cementite è carburo di ferro contenente il 6,67% di carbonio. Fragile e duro. Nel caso in cui nel metallo sia presente una grande quantità di silicio, non si verifica la formazione di cementite. In questo caso, il carbonio viene convertito in grafite (ghisa grigia).

Il contenuto di carbonio nel diagramma Fe - C (cementite) è limitato al 6,67%, poiché a questa concentrazione si forma un composto chimico: carburo di ferro (Fe_зC) o cementite, che è il secondo componente di questo diagramma.

Sistema Re-Fe₃C è metastabile. La formazione di cementite invece di grafite fornisce un minore guadagno di energia libera, ma è più probabile la formazione cinetica di carburo di ferro.

Il punto A (1539 °C) corrisponde al punto di fusione del ferro, il punto D (1500 °C) al punto di fusione della cementite, i punti N (1392 °C) e G (910 °C) corrispondono alla trasformazione polimorfica.

Le leghe ferro-carbonio sono acciai e ghise, che sono i principali materiali utilizzati nell'ingegneria meccanica e nella tecnologia moderna.

L'acciaio è il principale materiale metallico ampiamente utilizzato per la produzione di parti di macchine, aeromobili, strumenti, utensili vari e strutture edili. L'uso diffuso degli acciai è dovuto a un complesso di proprietà meccaniche, fisico-chimiche e tecnologiche.

Gli acciai combinano un'elevata rigidità con resistenza statica e ciclica. Questi parametri vengono modificati modificando la concentrazione di carbonio, elementi di lega e tecnologie di trattamento termico e chimico-termico. Modificando la composizione chimica, si ottengono acciai con proprietà diverse e utilizzati in molti rami della tecnologia e dell'economia nazionale.

Gli acciai al carbonio sono classificati in base al contenuto di carbonio, allo scopo, alla qualità, al grado di disossidazione e alla struttura in uno stato di equilibrio.

In base al contenuto di carbonio, gli acciai si dividono in a basso tenore di carbonio (< 0,3% C), a medio tenore di carbonio (0,3-0,7% C) e ad alto tenore di carbonio (> 0,7% C).

In base al loro scopo, gli acciai sono classificati in acciai strutturali e acciai per utensili. Gli acciai strutturali rappresentano il gruppo più ampio, destinato alla produzione di strutture edili, parti di macchine e dispositivi. Questi acciai includono acciai cementati, migliorati, ad alta resistenza e caricati a molla. Gli acciai per utensili si dividono in acciai per taglio, strumenti di misura, stampi di deformazione a freddo ea caldo (fino a 200°C).

Gli acciai sono classificati per qualità in qualità ordinaria, alta qualità, alta qualità. La qualità dell'acciaio è un insieme di proprietà determinate dal processo metallurgico della sua produzione. L'uniformità della composizione chimica, della struttura e delle proprietà dell'acciaio, nonché la sua producibilità, dipendono in gran parte dal contenuto di gas (ossigeno, idrogeno, azoto) e impurità nocive - zolfo e fosforo. I gas sono impurità latenti, quantitativamente difficili da determinare, pertanto le norme per il contenuto di impurità nocive servono come indicatori principali per separare gli acciai per qualità. Gli acciai di qualità ordinaria sono solo carbonio (fino allo 0,5% C), di alta qualità e di alta qualità: carbonio e legati. In base al grado di disossidazione e alla natura della solidificazione, gli acciai sono classificati in calmi, semi-calmi e bollenti.

Gli acciai legati sono prodotti calmi, acciai al carbonio - calmi, semi-silenziosi e bollenti.

A seconda della struttura allo stato di equilibrio, gli acciai si dividono in:

1) ipoeutettoide, avente ferrite e perlite nella struttura;

2) eutettoide, la cui struttura è costituita da perlite;

3) ipereutettoide, con perlite e cementite secondaria nella struttura.

28. Acciai strutturali e al carbonio per utensili. Marcatura, applicazione

Gli acciai strutturali al carbonio si dividono in acciai di qualità ordinaria e acciai di alta qualità.

Gradi di acciaio di qualità ordinaria St0, St1, St2, ..., St6 (all'aumentare del numero, aumenta il contenuto di carbonio). Gli acciai di qualità ordinaria, in particolare quelli bollenti, sono i più economici. Da acciai di qualità ordinaria viene prodotto acciaio ordinario laminato a caldo: travi, barre, lamiere, tubi. Gli acciai sono utilizzati nella costruzione di strutture saldate e imbullonate. All'aumentare del contenuto di carbonio nell'acciaio, la saldabilità si deteriora. Gli acciai St5 e St6, che hanno un contenuto di carbonio più elevato, vengono utilizzati per elementi di strutture edilizie non soggette a saldatura.

La fusione dell'acciaio al carbonio di alta qualità viene eseguita in condizioni rigorose per quanto riguarda la composizione della carica e la conduzione della fusione e della colata. Gli acciai al carbonio di alta qualità sono contrassegnati dai numeri 08, 10, 15, ..., 85, che indicano il contenuto medio di carbonio in centesimi di percento.

Gli acciai a basso tenore di carbonio hanno un'elevata resistenza e un'elevata duttilità. Gli acciai non trattati termicamente vengono utilizzati per parti leggermente caricate, strutture saldate critiche, per parti di macchine temprate per cementazione. Gli acciai al carbonio medio (0.3-0.5% C) 30, 35, ..., 55 vengono utilizzati dopo la normalizzazione, il miglioramento e l'indurimento superficiale. Questi acciai hanno un'elevata resistenza con minore duttilità, vengono utilizzati per la fabbricazione di piccole o grandi parti che non richiedono temprabilità. Gli acciai ad alto contenuto di carbonio hanno un'elevata resistenza e resistenza all'usura. Molle e molle, rondelle elastiche, rulli di laminazione sono realizzati con questi acciai.

La resistenza strutturale è un complesso di proprietà meccaniche che garantisce un funzionamento affidabile e a lungo termine del materiale nelle sue condizioni operative. La forza strutturale è la forza del materiale di costruzione, tenendo conto di fattori strutturali, metallurgici, tecnologici e operativi.

Vengono presi in considerazione quattro criteri: la resistenza del materiale, l'affidabilità e la durata del materiale nelle condizioni di funzionamento di questa struttura. Forza: la capacità di un corpo di resistere alla deformazione e alla distruzione.

Affidabilità: la proprietà del prodotto per eseguire le funzioni specificate e mantenere le sue prestazioni per il periodo di tempo richiesto. L'affidabilità di un progetto è la sua capacità di funzionare al di fuori della situazione del progetto. Il principale indicatore di affidabilità è il margine di viscosità del materiale, che dipende dalla composizione, dalla temperatura, dalle condizioni di carico, dal lavoro assorbito durante la propagazione della cricca.

La resistenza di un materiale alla frattura fragile è la caratteristica più importante che determina l'affidabilità delle strutture.

Durabilità: la proprietà del prodotto di mantenere le prestazioni allo stato limite (l'impossibilità del suo ulteriore funzionamento). La durata dipende dalle condizioni del suo funzionamento (queste sono la resistenza all'usura durante l'attrito e la forza di contatto, la resistenza del materiale all'usura superficiale che si verifica durante l'attrito volvente con lo scorrimento).

Gli acciai per utensili sono destinati alla fabbricazione di utensili da taglio, di misura e stampi di deformazione a freddo e a caldo. Le proprietà principali dell'utensile sono la resistenza all'usura e la resistenza al calore. È necessaria un'elevata durezza superficiale per la resistenza all'usura dell'utensile e l'acciaio deve essere forte, duro e tenace per mantenere la forma dell'utensile. La possibile temperatura di riscaldamento dell'utensile da taglio dipende dalla resistenza al calore dell'acciaio. Gli acciai per utensili al carbonio sono i più economici. Sono utilizzati principalmente per la produzione di utensili da taglio a bassa responsabilità e per attrezzature per stampi di dimensioni regolamentate.

Vengono prodotti acciai al carbonio di alta qualità (U1435, U74, U7) e di alta qualità (U8A, U9A, U7A) (GOST 8-9). La lettera U nel marchio mostra che l'acciaio è carbonio e la figura mostra il contenuto medio di carbonio in decimi di punto percentuale. La lettera A alla fine del marchio indica che l'acciaio è di alta qualità. Gli acciai al carbonio vengono forniti dopo la ricottura in perlite granulare. A causa della bassa durezza nella condizione fornita (HB 187-217), gli acciai al carbonio sono ben lavorati e deformati, il che rende possibile l'uso di zigrinatura, intaglio e altri metodi di produzione di utensili ad alte prestazioni.

I gradi di acciaio U7, U8, U9 sono sottoposti a tempra e rinvenimento completi a 275-350°C per lamella; poiché sono più viscosi, vengono utilizzati per la produzione di utensili per la lavorazione del legno, idraulica, da fabbro e pressa.

Gli acciai ipereutettoidi U10, U11, U12 sono soggetti a tempra incompleta. Lo strumento di questi marchi ha una maggiore resistenza all'usura e un'elevata durezza.

Gli acciai ipereutettoidi sono utilizzati per la fabbricazione di strumenti di misura (calibri), utensili da taglio (lime, trapani) e stampi per stampaggio a freddo e trafila operanti a bassi carichi.

Lo svantaggio degli acciai al carbonio per utensili è la perdita di resistenza quando vengono riscaldati oltre i 200 ° C (mancanza di resistenza al calore). Gli utensili realizzati con questi acciai vengono utilizzati per la lavorazione di materiali teneri ea basse velocità di taglio o deformazione.

29. Ghise bianche, grigie, mezze, duttili e malleabili

Formazione di microstrutture, proprietà, etichettatura e applicazioni

La ghisa è una lega di ferro e carbonio. La ghisa contiene carbonio - 2,14% ed è un materiale più economico dell'acciaio. Ha un basso punto di fusione e buone proprietà di colata. È possibile realizzare fusioni di forme più complesse da ghise che da acciai. La struttura in ghisa di ghisa contiene concentratori di sollecitazioni, che possono essere difetti: porosità, eterogeneità di segregazione, microfessure.

La ghisa bianca prende il nome dalla frattura bianca opaca. Tutto il carbonio in questa ghisa è allo stato legato sotto forma di cementite. Le trasformazioni di fase procedono secondo il diagramma di stato (Fe - Fe_зCON). Le ghise bianche, a seconda del contenuto di carbonio, sono: ipoeutettiche (perlite + ledeburite); eutettico (ledeburite); ipereutettico (cementite primaria + ledeburite). Queste ghise hanno una durezza maggiore per il contenuto di cementite; sono molto fragili e non vengono utilizzati per la fabbricazione di parti di macchine. Le fusioni in ghisa bianca vengono utilizzate per produrre parti in ghisa duttile mediante ricottura di grafitizzazione. Le ghise raffreddate hanno strati superficiali (12-30 mm) con una struttura in ghisa bianca e un'anima in ghisa grigia. L'elevata durezza della superficie gli consente di lavorare bene contro l'abrasione. Queste proprietà del ferro refrigerato vengono utilizzate per realizzare rulli di laminazione, ruote, sfere di laminazione, ganasce dei freni e altre parti.

Le ghise bianche cristallizzano secondo il diagramma di stato del sistema di leghe ferro-cementite. Un contenuto significativo di cementite dura e fragile nella composizione delle ghise bianche è il motivo per cui queste ghise sono difficili da lavorare. Sono utilizzati per la colata di parti con successiva ricottura per ghisa sferoidale, nonché per la colata di rulli di laminazione e ruote di carri.

La ghisa grigia (tecnica) ha preso il nome dal tipo di frattura, che ha un colore grigio. La grafite è presente nella struttura della ghisa grigia. La struttura della ghisa è costituita da una base in metallo e grafite e le sue proprietà dipendono da questi due componenti. La grafite ha basse proprietà meccaniche.

Con il lento raffreddamento delle leghe ferro-carbonio, viene rilasciata grafite.

Nell'industria vengono utilizzate ghise grigie ipoeutettiche (da fonderia). La ghisa grigia, costituita da ferrite e grafite, è chiamata ferritica, poiché la sua base metallica è la ferrite. Tutto il carbonio sotto forma di grafite viene rilasciato durante il raffreddamento molto lento della lega; se la velocità di raffreddamento durante la cristallizzazione (sia primaria che secondaria) aumenta, non viene rilasciata grafite, ma cementite. La ghisa, contenente fino all'1,2% di fosforo, viene utilizzata per colate artistiche, tubi.

Marcatura in ghisa grigia. Secondo GOST, la ghisa nelle fusioni è contrassegnata dalle lettere SCh con l'aggiunta di due numeri: il primo numero indica la resistenza alla trazione (σ_пч) il secondo è l'allungamento (σ) in%. La metà della ghisa è composta da perlite, ledeburite e grafite lamellare. Combina due colori: grigio e bianco.

La ghisa sferoidale è la ghisa in cui la grafite è sferoidale. Un aumento della resistenza e della duttilità della ghisa si ottiene mediante la modifica, che garantisce la produzione di grafite globulare (sferoidale) anziché lamellare. La superficie della grafite sferoidale ha un rapporto minore con il volume e determina la massima continuità della base metallica e la resistenza della ghisa. Questa forma di grafite si ottiene aggiungendo magnesio (M) o cerio (Ce) alla ghisa liquida.

La ghisa sferoidale ha una base ferritica o perlitica. La ghisa ferritica ha una maggiore duttilità.

Secondo GOST, la ghisa è indicata da numeri: il primo numero indica la resistenza alla trazione (σ_пч), il secondo è l'allungamento (σ) in%. Una resistenza ancora maggiore si ottiene modificando la ghisa legata.

La ghisa sferoidale viene utilizzata al posto dell'acciaio per la fabbricazione di parti di macchine, attrezzature per la forgiatura e lo stampaggio che operano in cuscinetti a pressioni elevate e alte; alberi a gomiti, ingranaggi, giunti e al posto della ghisa sferoidale per la fabbricazione di assali posteriori-auto.

Ghisa duttile - ghisa lamellare di grafite, nome in codice della ghisa tenera e duttile, che si ottiene dalla ghisa bianca mediante uno speciale trattamento termico; non è soggetto a forgiatura, ha elevata duttilità. La ghisa sferoidale è costituita da una base in acciaio e contiene carbonio sotto forma di grafite. La grafite è sotto forma di inclusioni di forma arrotondata, che si trovano isolate l'una dall'altra e la base metallica è meno separata e la lega ha una tenacità e duttilità significative.

Le proprietà della ghisa sferoidale dipendono dalla dimensione delle inclusioni di grafite (più piccole sono queste inclusioni, più forte è la ghisa), ma sono determinate dalla struttura della sua base metallica, che può essere ferritica, perlitica o mista.

A seconda della composizione della ghisa e del metodo di trattamento termico, si ottengono due tipi di ghisa sferoidale: a cuore nero e a cuore bianco. La ghisa malleabile è un materiale più economico, ha buone proprietà meccaniche e viene utilizzata nell'ingegneria agricola, nell'industria automobilistica, nella costruzione di automobili e nella costruzione di macchine utensili.

30. Il ruolo del trattamento termico nel miglioramento della qualità dei materiali strutturali

I principali prerequisiti per ottenere l'insieme necessario di proprietà meccaniche e di altro tipo per le leghe strutturali vengono posti durante il loro sviluppo e fusione.

L'implementazione delle proprietà richieste viene effettuata nelle successive fasi di lavorazione, con l'obiettivo di conferire alla lega non solo la forma e le dimensioni previste dal disegno, ma anche una razionale struttura interna, da intendersi come fase strutturale composizione e struttura di dislocazione, da cui dipende direttamente il complesso delle proprietà richieste. Le fasi più importanti della lavorazione delle leghe sono il trattamento termico e l'indurimento superficiale. Il trattamento termico fornisce un determinato livello di proprietà in tutto il volume della parte e l'indurimento superficiale - solo in alcune aree più caricate e fortemente usurate sulla superficie della parte.

Le regole di base per il trattamento termico sono state sviluppate da D.K. Chernov e integrato da A.A. Bochvarov, GV Kurdyumov, A.P. Guliaev.

Per trattamento termico si intende un complesso di operazioni di riscaldamento e raffreddamento di una lega, eseguite secondo un determinato regime al fine di modificarne la struttura ed ottenere le proprietà desiderate. La base del trattamento termico è un cambiamento nella composizione della fase strutturale e nella struttura di dislocazione della lega, che può essere ottenuto utilizzando fattori chiave come la presenza di trasformazioni allotropiche in essa o la limitata solubilità reciproca dei componenti a seconda della temperatura .

Tutti i tipi esistenti di trattamento termico volti a modificare in modo significativo la fase e la struttura di dislocazione delle leghe e ad ottenere un insieme ottimale di proprietà operative si basano sull'uso di uno dei suddetti fattori. In loro assenza, con il trattamento termico si possono ottenere solo risultati molto limitati. I due tipi più comuni di trattamento termico. Uno di questi si basa sull'uso delle specifiche delle trasformazioni nelle leghe dovute alla presenza di trasformazioni allotropiche in esse, e l'altro si basa sulla solubilità variabile dei componenti l'uno nell'altro durante il riscaldamento e il raffreddamento.

In entrambi i casi, la base fondamentale della tecnologia del trattamento termico, che garantisce i risultati attesi, è la sua modalità. Comprende i seguenti elementi: temperatura di riscaldamento, velocità di riscaldamento a una data temperatura, tempo di mantenimento a questa temperatura e velocità di raffreddamento.

Il trattamento termico può essere preliminare e definitivo. Il trattamento termico preliminare viene utilizzato nei casi in cui il materiale deve essere preparato per ulteriori influenze tecnologiche: pressione, taglio, ecc. Il trattamento termico finale viene utilizzato per preparare le proprietà del materiale finito.

I valori specifici che caratterizzano ciascuno degli elementi della modalità di trattamento termico dipendono dalla composizione chimica della lega in lavorazione, dalle dimensioni della parte e dallo scopo del tipo di trattamento termico da eseguire. Variando questi valori, è possibile modificare in modo significativo la fase e le strutture di dislocazione della lega e conferire ad essa le proprietà desiderate.

La natura delle trasformazioni che avvengono nella lega e la stessa possibilità di ottenere la struttura richiesta dopo il trattamento termico dipendono dalla temperatura di riscaldamento. Viene selezionato in base alla composizione chimica della lega e allo scopo del trattamento termico.

La velocità di riscaldamento è scelta in modo tale da garantire perdite minime di tempo di riscaldamento e, allo stesso tempo, il suo valore dovrebbe escludere il verificarsi di pericolose sollecitazioni termiche nel pezzo che possono portare a deformazioni e incrinature del pezzo, che si osserva quando il riscaldamento è troppo veloce.

La velocità di riscaldamento dipende dalla conduttività termica della lega lavorata, che, a sua volta, è determinata dalla sua composizione chimica. Con la complicazione della composizione, la conduttività termica si deteriora. Pertanto, il riscaldamento delle leghe di composizione sfavorevole a determinate temperature viene effettuato molto lentamente e quindi accelerato.

Il tempo di mantenimento del pezzo al raggiungimento della temperatura specificata dovrebbe essere sufficiente per il suo riscaldamento dalla superficie al nucleo nella sezione più grande, nonché per il completo completamento nella lega di quelle trasformazioni di fase strutturale che hanno natura di diffusione, che dovrebbe avvenire in esso ad una data temperatura.

La velocità di raffreddamento durante il trattamento termico è un elemento molto importante del regime, da cui dipendono le caratteristiche della fase e della struttura di dislocazione acquisite dalla lega. Dovrebbe essere sufficiente che nella lega avvengano le necessarie trasformazioni, ma non troppo grande per evitare pericolose sollecitazioni termiche e di fase che possono causare cricche o deformazioni (deformazione) del pezzo.

Il trattamento termico viene utilizzato per migliorare i materiali strutturali, in particolare l'acciaio. Il tempo del trattamento termico dipende direttamente dalle dimensioni dei materiali e delle parti lavorate.

31. L'uso del trattamento termico nella tecnologia di produzione di grezzi e prodotti da materiali strutturali

Il processo più caratteristico e ben studiato è il trattamento termico dell'acciaio. Questo processo si basa sulla presenza di trasformazioni allotropiche in esso, che si verificano durante il riscaldamento e il raffreddamento nella regione di determinate temperature critiche. I processi in fase strutturale controllata nell'acciaio, che forniscono la fase richiesta e la struttura di dislocazione, si verificano a causa della presenza di allotropia.

La resistenza strutturale è un certo insieme di proprietà meccaniche che garantisce un funzionamento affidabile e a lungo termine del materiale nelle sue condizioni operative. La forza strutturale è la forza del materiale strutturale, tenendo conto di fattori strutturali, metallurgici, tecnologici e operativi, ad es. questo è un concetto complesso. Si ritiene che debbano essere presi in considerazione almeno quattro criteri: la rigidità della struttura, la resistenza del materiale, l'affidabilità e la durata del materiale nelle condizioni di funzionamento di questa struttura.

Rigidità strutturale. Per molti elementi strutturali di potenza - telai, traverse, piastre piatte, gusci cilindrici, ecc. - la condizione che ne determina le prestazioni è la rigidità (stabilità) locale o generale, determinata dalla loro forma strutturale, schema dello stato di sollecitazione, ecc., nonché proprietà dei materiali.

Un indicatore della rigidità di un materiale è il modulo di elasticità longitudinale E (modulo di rigidità) - una caratteristica strutturalmente insensibile che dipende solo dalla natura del materiale. Tra i principali materiali strutturali, l'acciaio ha il valore più alto del modulo E, mentre le leghe di magnesio e la fibra di vetro hanno il valore più basso. Tuttavia, la valutazione di questi materiali cambia in modo significativo se si tiene conto della loro densità e si utilizzano i criteri di rigidità e stabilità specifica.

Valutato secondo questi criteri, scelti in base alla forma e allo stato tensionale, in molti casi il materiale più favorevole sono le leghe di magnesio e le plastiche rinforzate con vetro, i meno vantaggiosi sono gli acciai al carbonio e legati.

Forza: la capacità di un corpo di resistere alla deformazione e alla distruzione. La maggior parte delle specifiche di resistenza sono determinate da prove di trazione statiche.

Queste caratteristiche dipendono dalla struttura e dal trattamento termico.

Quando si valuta la resistenza effettiva di un materiale strutturale, è necessario tenere conto delle caratteristiche di plasticità, viscosità del materiale, poiché questi indicatori determinano principalmente la possibilità di frattura fragile.

Questo vale anche per i materiali ad alta resistenza che, avendo un'elevata resistenza, sono soggetti a fragili fratture.

Affidabilità: la proprietà del prodotto di eseguire le funzioni specificate, pur mantenendo le sue prestazioni entro i limiti specificati per il periodo di tempo richiesto o il tempo di funzionamento richiesto. L'affidabilità di una struttura è anche la sua capacità di lavorare al di fuori della situazione di progettazione, ad esempio per resistere a carichi d'urto. Il principale indicatore di affidabilità è il margine di viscosità del materiale, che dipende dalla composizione, dalla temperatura (soglia di fragilità a freddo), dalle condizioni di carico, dal lavoro assorbito durante la propagazione della cricca.

La resistenza di un materiale alla frattura fragile è la caratteristica più importante che determina l'affidabilità delle strutture.

Durabilità: la proprietà del prodotto di mantenere le prestazioni allo stato limite (l'impossibilità del suo ulteriore funzionamento).

La durata della struttura dipende dalle condizioni del suo lavoro. Innanzitutto, si tratta della resistenza all'usura durante l'attrito e della forza di contatto (resistenza del materiale all'usura superficiale che si verifica durante l'attrito volvente con lo scorrimento). Inoltre, la durabilità del prodotto dipende dal limite di durata, che a sua volta dipende dallo stato della superficie e dalla resistenza alla corrosione del materiale.

Durante il trattamento termico dei materiali vengono utilizzate attrezzature speciali: forni elettrici, forni a fiamma a gas e elevatori, vasche di tempra, bagni di sale, ecc.

Le principali tipologie di trattamento termico: volumetrico, superficiale, a tempra locale; normalizzazione, omogeneizzazione, ricottura di ricristallizzazione, trattamento chimico-termico e trattamento di riscaldamento laser; indurimento per campo di impulsi elettrici; trattamento termico durante l'applicazione della deformazione plastica, nonché trattamento a freddo.

Gli acciai strutturali sono acciai che vengono utilizzati nella produzione di varie parti di macchine e qualsiasi struttura. Quegli acciai che vengono utilizzati nella costruzione di strutture o strutture sono chiamati acciai da costruzione. Gli acciai strutturali comprendono sia gli acciai legati che quelli al carbonio.

Nell'ingegneria meccanica sono ampiamente utilizzati gli acciai legati strutturali GOST 4543-71, che sono: cromo, manganese, cromo-silicio, cromo-silicio-manganese, cromo-nichel, ecc. A seconda delle caratteristiche tecniche, questi acciai sono suddivisi in cementazione acciai, acciai per nitrurazione, acciai migliorati mediante trattamento termico, acciai temprati ad aria, ecc.

32. Ricottura del 1° tipo. Cristallizzazione di non equilibrio

Questo tipo di trattamento termico è possibile per qualsiasi metallo e lega. La sua attuazione non è dovuta a trasformazioni di fase allo stato solido. Il riscaldamento durante la ricottura del 1o tipo, aumentando la mobilità degli atomi, elimina parzialmente o completamente la disomogeneità chimica, riduce le sollecitazioni interne, cioè contribuisce a ottenere uno stato di maggiore equilibrio. Durante tale ricottura, la temperatura di riscaldamento e il tempo di mantenimento a questa temperatura sono di primaria importanza, poiché sono questi parametri che determinano la velocità dei processi che eliminano le deviazioni dallo stato di equilibrio. La velocità di riscaldamento e raffreddamento per la ricottura del 1° tipo è di secondaria importanza.

Esistono i seguenti tipi di ricottura del 1° tipo: la ricottura per diffusione (omogeneizzazione) viene utilizzata per eliminare l'eterogeneità chimica che si verifica durante la cristallizzazione della lega (segregazione dendritica).

L'allineamento della composizione chimica avviene a causa di processi di diffusione, la cui velocità dipende dalla temperatura.

La ricottura di ricristallizzazione viene utilizzata dopo la deformazione plastica a freddo (lavorazione a freddo per pressione) per rimuovere l'incrudimento e ottenere uno stato di equilibrio della lega. Come risultato della ricristallizzazione, si formano nuovi grani nel metallo deformato, le sollecitazioni vengono alleviate e viene ripristinata la plasticità del metallo.

Ricottura per alleviare le sollecitazioni che si verificano durante la forgiatura, la saldatura, la colata, che possono causare deformazioni, ovvero un cambiamento di forma, dimensione e persino la distruzione dei prodotti.

cristallizzazione di non equilibrio. Il processo di diffusione procede lentamente, quindi, in condizioni di raffreddamento reali, la composizione all'interno di ogni cristallo e dei diversi cristalli non ha il tempo di equalizzare e non sarà la stessa.

Se è possibile la decomposizione di una soluzione solida durante il raffreddamento, il diagramma di stato mostra l'inizio di questo processo al raffreddamento più lento.

Con un aumento della velocità di raffreddamento, la temperatura alla quale inizia la precipitazione della fase in eccesso diminuisce, la quantità della fase precipitata diminuisce e quando viene determinata una velocità di raffreddamento più elevata, la soluzione solida senza precipitazione viene completamente raffreddata a temperatura ambiente.

Regolando la velocità di raffreddamento, è possibile ottenere vari gradi di decomposizione fino alla sua completa soppressione.

Tali soluzioni supersature sono instabili.

Se la mobilità termica degli atomi della soluzione superraffreddata è insufficiente, lo stato di sovrasaturazione può persistere indefinitamente.

Altrimenti, nel tempo, si verificherà una graduale decomposizione della soluzione sovrasatura con rilascio di una fase in eccesso. Questo processo accelererà all'aumentare della temperatura.

Le fasi secondarie, che si formano ad alta temperatura, durante il lento raffreddamento della soluzione solida o un elevato riscaldamento secondario della soluzione solida spenta (supersatura), non solo sono di dimensioni maggiori, ma sono orientativamente indipendenti dalla fase madre. Lo strato di atomi appartenenti alla vecchia fase confina con lo strato di atomi che appartengono al reticolo della nuova fase.

Nel caso di precipitazione a bassa temperatura, la nuova fase β è orientata in un certo modo rispetto a quella iniziale, in modo che lo strato limite degli atomi appartenga ugualmente ad entrambi i reticoli.

Tale articolazione dei reticoli cristallini è chiamata coerente. All'interfaccia con accoppiamento coerente, le sollecitazioni sorgono e rimangono tanto maggiori quanto maggiore è la differenza nella struttura (nel piano dell'interfaccia) dei reticoli coniugati.

Se la temperatura della lega viene aumentata, a causa dell'aumento della mobilità termica degli atomi e della presenza di sollecitazioni ai confini di fase, il legame coerente si rompe (il fenomeno della rottura della coerenza), le fasi metastabili passano in un β stabile -fase, i cristalli lamellari della fase β crescono, tendendo ad assumere una forma arrotondata. Al termine di questi processi, la struttura e la composizione della fase saranno le stesse del caso del raffreddamento lento.

Il processo di fissaggio dello stato instabile mediante raffreddamento rapido è chiamato tempra e il successivo processo di avvicinamento graduale allo stato di equilibrio (mediante riscaldamento o mantenimento prolungato) è chiamato rinvenimento e invecchiamento. Tale diverso cambiamento nella struttura, ottenuto con vari gradi di approssimazione della lega allo stato di equilibrio, porta a un diverso cambiamento nelle proprietà, che è la ragione dell'uso diffuso del trattamento termico, che si basa sui processi di non equilibrio cristallizzazione.

Le leghe sono sostanze composte da due o più elementi della tavola periodica. Si ottengono per sinterizzazione o fusione. Un componente è una sostanza che forma una lega.

Una fase è una parte spazialmente limitata e distinta di un sistema che ha il proprio reticolo cristallino e le proprie proprietà. Le sostanze omogenee hanno una fase, mentre le sostanze eterogenee hanno più fasi.

Struttura - la struttura del metallo, in cui è possibile distinguere tra le singole fasi, la loro forma, dimensione e posizione relativa. La struttura influisce sulle proprietà.

Lo stato di equilibrio è quando nella lega si formano tutte le fasi inerenti a questo sistema. Questo stato è assicurato da un raffreddamento lento; è possibile distinguere le dimensioni e le forme delle fasi.

Stato di non equilibrio: il processo di formazione e separazione delle fasi non è terminato, si forma durante un rapido raffreddamento.

33. Ricottura di omogeneizzazione, modifica della struttura e delle proprietà durante la ricottura di omogeneizzazione. Indurimento con trasformazione polimorfica. Indurimento senza trasformazione polimorfica

Ricottura - operazioni di riscaldamento e raffreddamento lento dell'acciaio al fine di equalizzare la composizione chimica, ottenere una struttura di equilibrio, alleviare le sollecitazioni.

La ricottura viene utilizzata per ottenere una struttura di equilibrio, quindi, durante la ricottura, le parti vengono raffreddate lentamente. Acciai al carbonio - a una velocità di 200 °C/h, acciai legati - 30-100 °C/h.

La ricottura per diffusione (omogeneizzazione) viene utilizzata per eliminare la segregazione (livellamento della composizione chimica). Si basa sulla diffusione. In questo caso, la composizione viene livellata e i carburi in eccesso vengono sciolti. Tale ricottura viene eseguita ad alta temperatura con una lunga esposizione. La ricottura di omogeneizzazione viene applicata agli acciai legati. Ciò è spiegato dal fatto che la velocità di diffusione del carbonio disciolto nell'austenite mediante il metodo interstiziale è di diversi ordini di grandezza superiore alla velocità di diffusione degli elementi di lega che vengono disciolti nell'austenite mediante il metodo di sostituzione. L'omogeneizzazione degli acciai al carbonio avviene praticamente durante il loro riscaldamento. Modalità di ricottura omogeneizzazione: riscaldamento a una temperatura di 1050-1200 ° C, il tempo di mantenimento è di 8-10 ore.La temperatura di omogeneizzazione dovrebbe essere sufficientemente alta, ma non dovrebbe essere consentita la combustione eccessiva e la fusione dei grani. Quando viene bruciato, l'ossigeno dell'aria si combina con particelle metalliche, si formano gusci di ossido che separano i grani. Il surriscaldamento nel metallo non può essere eliminato. Il metallo bruciato è il matrimonio finale. La ricottura per diffusione di solito produce grani grossolani, che dovrebbero essere corretti dalla successiva ricottura completa.

La ricottura completa è associata alla ricristallizzazione di fase e all'affinamento del grano. L'acciaio allo stato di equilibrio contiene perlite ed è il più duttile. Lo scopo della ricottura completa è migliorare la struttura dell'acciaio per facilitare la successiva lavorazione mediante taglio, stampaggio o indurimento, ottenendo una struttura di equilibrio a grana fine nel pezzo finito.

Tipi (metodi) di ricottura completa: ricottura (normale e isotermica) su perlite lamellare (inclusioni di cemento sotto forma di lastre) e ricottura su perlite granulare (inclusioni di cemento sotto forma di grani).

Durante la ricottura su perlite lamellare, i pezzi grezzi vengono raffreddati insieme al forno, il più delle volte con alimentazione parziale di carburante, in modo che la velocità di raffreddamento sia compresa tra 10 e 20 ° C all'ora.

La ricottura raggiunge la raffinatezza del grano. Durante la tempra dell'acciaio si ottiene una struttura a grana grossa per la libera crescita dei grani, a seguito del surriscaldamento dell'acciaio; tale struttura provoca una diminuzione delle proprietà meccaniche delle parti.

Indurimento con trasformazione polimorfica. Indurimento senza trasformazione polimorfica

La tempra è un trattamento termico in cui l'acciaio acquisisce una struttura di non equilibrio, che si esprime principalmente in un aumento della durezza dell'acciaio. L'indurimento comprende: trattamento termico per sorbitolo, trostite e martensite. Il grado di non equilibrio dei prodotti indurenti aumenta con l'aumentare della velocità di raffreddamento e aumenta da sorbite a martensite.

Il vantaggio del vero indurimento è la possibilità di ottenere prodotti dalla martensite per il successivo rinvenimento di prodotti con insiemi di proprietà non ottenibili con altri tipi di trattamento termico.

Il vero indurimento è stato ampiamente utilizzato come pretrattamento prima del rinvenimento.

Il tasso di spegnimento critico è importante. Da esso dipende la temprabilità dell'acciaio, cioè la capacità di essere temprato fino a una certa profondità. Il tasso di indurimento critico dipende dalla stabilità dell'austenite, che è determinata dalla quantità di carbonio e elementi di lega disciolti in essa. L'introduzione di elementi di carbonio e lega nell'acciaio aumenta la temprabilità, che viene valutata utilizzando campioni cilindrici in base alla profondità dello strato di semi-martensite in essi contenuto. Lo strato semimartensitico di acciaio contiene il 50% di M e il 50% di T.

I parametri principali per l'indurimento sono la temperatura di riscaldamento e la velocità di raffreddamento. La temperatura di riscaldamento per gli acciai è determinata dai diagrammi di stato, la velocità di raffreddamento è determinata dai diagrammi della decomposizione isotermica dell'austenite.

Il tempo di riscaldamento dipende dalle dimensioni del pezzo e dalla conducibilità termica dell'acciaio, determinata sperimentalmente.

Uno degli obiettivi della lega di acciai strutturali è di ridurre il tasso di tempra critico e ottenere attraverso la temprabilità delle parti realizzate da essi durante la tempra non solo in acqua, ma anche in mezzi di raffreddamento più morbidi. Il livello delle sollecitazioni termiche e di fase e la probabilità di formazione di cricche nella parte dipendono dalla nitidezza del mezzo di raffreddamento. In connessione con quanto sopra, durante la tempra, sono preferiti mezzi di tempra morbidi. Quando si indurisce un utensile da taglio in acciaio ad alto tenore di carbonio, al fine di ridurre le sollecitazioni interne, viene utilizzato il raffreddamento in due ambienti.

Per gli acciai ad alto tenore di carbonio, e in particolare per gli acciai con un contenuto sufficientemente elevato di elementi di lega, il punto M si trova al di sotto della temperatura ambiente e spesso al di sotto di 0 °C. A questo proposito, durante l'indurimento convenzionale, viene trattenuta molta austenite residua. La sua presenza riduce la durezza dell'acciaio temprato e la sua conducibilità termica, particolarmente indesiderabile per un utensile da taglio.

L'austenite residua subisce nel tempo trasformazioni di fase che portano ad un cambiamento delle dimensioni del prodotto. Questo è estremamente inaccettabile per uno strumento di misurazione (graffette, spine).

34. Cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà meccaniche dei metalli durante il riscaldamento dopo la lavorazione a caldo ea freddo per pressione

La lavorazione dei metalli a pressione si basa sulla loro capacità di deformarsi plasticamente in determinate condizioni a causa di forze esterne che agiscono su un corpo deformabile (pezzo).

Se durante le deformazioni elastiche il corpo deformabile ripristina completamente la forma e le dimensioni originali dopo la rimozione delle forze esterne, durante le deformazioni plastiche il cambiamento di forma e dimensioni causato dall'azione delle forze esterne persiste dopo la cessazione di queste forze.

La deformazione elastica è caratterizzata dallo spostamento degli atomi l'uno rispetto all'altro di una quantità inferiore alle distanze interatomiche e, dopo la rimozione delle forze esterne, gli atomi tornano alla loro posizione originale. Sotto le deformazioni plastiche, gli atomi sono spostati l'uno rispetto all'altro di valori maggiori delle distanze interatomiche e, dopo la rimozione delle forze esterne, non tornano alla loro posizione originale, ma occupano nuove posizioni di equilibrio.

A seconda della temperatura e della velocità, si distinguono le condizioni di deformazione a freddo e a caldo.

La deformazione a freddo è caratterizzata da un cambiamento di forma dei grani, che si allungano nella direzione del flusso metallico più intenso. Durante la deformazione a freddo, il cambiamento di forma è accompagnato da un cambiamento delle proprietà meccaniche e fisico-chimiche del metallo. Questo fenomeno è chiamato indurimento (indurimento). Il cambiamento delle proprietà meccaniche è che durante la deformazione plastica a freddo, man mano che aumenta, le caratteristiche di resistenza aumentano, mentre le caratteristiche di plasticità diminuiscono. Il metallo diventa più duro, ma meno duttile. L'indurimento si verifica a causa della rotazione dei piani di scorrimento, un aumento della distorsione del reticolo cristallino nel processo di deformazione a freddo (accumulo di dislocazioni ai bordi del grano). I cambiamenti introdotti dalla deformazione a freddo nella struttura e nelle proprietà del metallo non sono irreversibili. Possono essere eliminati, ad esempio, mediante trattamento termico (ricottura). In questo caso si verifica un riarrangiamento interno, in cui, a causa dell'energia termica aggiuntiva, che aumenta la mobilità degli atomi, nuovi grani crescono da molti centri nel metallo solido senza trasformazioni di fase, sostituendo i grani allungati e deformati. Poiché in un campo di temperatura uniforme il tasso di crescita dei grani è lo stesso in tutte le direzioni, i nuovi grani che compaiono al posto di quelli deformati hanno all'incirca le stesse dimensioni in tutte le direzioni. Il fenomeno di nucleazione e crescita di nuovi grani equiassici invece di quelli deformati, allungati, che avviene a determinate temperature, è chiamato ricristallizzazione. Per i metalli puri, la ricristallizzazione inizia a una temperatura assoluta pari a 0,4 del punto di fusione assoluto del metallo. La ricristallizzazione procede a una certa velocità e il tempo richiesto per la ricristallizzazione è minore, maggiore è la temperatura di riscaldamento del pezzo deformato. A temperature inferiori alla temperatura di inizio della ricristallizzazione si verifica un fenomeno chiamato rimbalzo. Al ritorno (a riposo), la forma e le dimensioni dei grani deformati e allungati non cambiano, ma le tensioni residue vengono parzialmente rimosse. Queste sollecitazioni derivano da riscaldamento o raffreddamento non uniforme (durante la colata e il trattamento a pressione), distribuzione non uniforme delle deformazioni durante la deformazione plastica. Le sollecitazioni residue creano sistemi di forze reciprocamente bilanciate e si trovano nel pezzo, non caricate da forze esterne. La rimozione delle sollecitazioni residue durante il ritorno quasi non modifica le proprietà meccaniche del metallo, ma influisce su alcune delle sue proprietà fisiche e chimiche. La deformazione a caldo è una deformazione caratterizzata dal rapporto tra le velocità di deformazione e ricristallizzazione, alla quale la ricristallizzazione ha il tempo di verificarsi in tutto il volume del pezzo e la microstruttura dopo il trattamento a pressione risulta essere equiassica, senza tracce di indurimento.

Per garantire le condizioni per la deformazione a caldo, è necessario aumentare la temperatura di riscaldamento del pezzo con un aumento della sua velocità (per aumentare la velocità di ricristallizzazione).

Se il metallo al termine della deformazione ha una struttura non completamente ricristallizzata, con tracce di indurimento, allora tale deformazione è detta deformazione a caldo incompleta. Una deformazione a caldo incompleta porta a una struttura eterogenea, una diminuzione delle proprietà meccaniche e della plasticità.

Nella deformazione a caldo, la resistenza alla deformazione è circa 10 volte inferiore rispetto alla deformazione a freddo e l'assenza di indurimento porta al fatto che la resistenza alla deformazione (resistenza allo snervamento) cambia leggermente durante il processo di formatura. Questa circostanza spiega principalmente il fatto che la lavorazione a caldo viene utilizzata per la produzione di pezzi di grandi dimensioni, poiché richiede minori forze di deformazione (attrezzature meno potenti).

Durante la deformazione a caldo, la plasticità del metallo è maggiore rispetto alla deformazione a freddo.

L'influenza della deformazione a freddo sulle proprietà del metallo può essere utilizzata per ottenere le migliori proprietà prestazionali delle parti e il controllo del cambiamento delle proprietà nella direzione richiesta e in base al valore desiderato può essere ottenuto scegliendo una combinazione razionale di deformazione a freddo ea caldo , nonché il numero e le modalità dei trattamenti termici nel processo di fabbricazione della parte.

35. Ritorno, ricristallizzazione primaria e collettiva. Ricottura di ricristallizzazione

Circa il 10-15% di tutta l'energia spesa per la deformazione plastica viene assorbita dal metallo e si accumula in esso sotto forma di maggiore energia potenziale di atomi spostati, sollecitazioni. Il metallo deformato è in uno stato di non equilibrio, instabile. Il passaggio a uno stato più di equilibrio è associato a una diminuzione delle distorsioni nel reticolo cristallino, alla rimozione delle sollecitazioni, determinata dalla possibilità di spostare gli atomi. A basse temperature, la mobilità dell'atomo è bassa e nello stato di indurimento a freddo può persistere indefinitamente.

Con l'aumento della temperatura, la diffusione degli atomi aumenta e nel metallo iniziano a svilupparsi processi che lo portano a uno stato di maggiore equilibrio. Questo è il fenomeno del ritorno.

Il primo stadio di ritorno - riposo, si osserva a basso riscaldamento. Durante il riposo, c'è una diminuzione del numero di posti vacanti, una diminuzione della densità delle dislocazioni e un parziale rilascio di stress.

La seconda fase del ritorno è la poligonizzazione, la divisione dei grani in parti: i poligoni (sottograni).

La poligonizzazione si verifica a seguito dello scorrimento e dell'arrampicata delle dislocazioni, a seguito delle quali le dislocazioni dello stesso segno formano "muri" che separano i grani in poligoni. In uno stato poligonizzato, un cristallo ha meno energia di uno deformato e la formazione di poligoni è un processo energeticamente favorevole. La temperatura di inizio della poligonizzazione non è costante. Il tasso di poligonizzazione dipende dalla natura del metallo, dal grado di precedente deformazione e dal contenuto di impurità. Al ritorno, non si osservano cambiamenti evidenti nella microstruttura, il metallo mantiene la sua struttura fibrosa. In questo caso, la durezza e la resistenza sono leggermente ridotte e la duttilità aumenta.

Ricristallizzazione. Se riscaldato a temperature sufficientemente elevate, la mobilità degli atomi aumenta e si verifica il processo di ricristallizzazione.

La ricristallizzazione è il processo di formazione e crescita di nuovi grani quando il metallo lavorato a freddo viene riscaldato a una certa temperatura. Questo processo si svolge in due fasi. Ci sono ricristallizzazione primaria (elaborazione) e collettiva.

La ricristallizzazione primaria (elaborazione) consiste nella formazione di nuclei e nella crescita di nuovi grani di equilibrio con un reticolo cristallino non distorto. È molto probabile che nuovi grani appaiano ai confini di blocchi e grani, scivolino pacchetti all'interno dei grani, dove il reticolo metallico è stato maggiormente distorto durante la deformazione plastica. Il numero di nuovi grani aumenta gradualmente e, in definitiva, non rimangono vecchi grani deformati nella struttura.

Un metallo deformato che si trova in uno stato instabile tende ad entrare in uno stato stabile con la minima quantità di energia libera. Questo stato corrisponde al processo di formazione di nuovi grani con un reticolo cristallino non distorto. Nei punti in cui il reticolo è più distorto e, di conseguenza, meno stabile, quando riscaldati, gli atomi si muovono, il reticolo viene ripristinato e compaiono i nuclei di nuovi grani di equilibrio. I nuclei di nuovi grani possono anche essere volumi (blocchi) con il reticolo meno distorto, dove gli atomi si muovono da volumi vicini con un reticolo distorto.

Ricristallizzazione collettiva: la seconda fase del processo di ricristallizzazione consiste nella crescita di nuovi grani formati. La forza trainante della ricristallizzazione collettiva è l'energia superficiale dei grani. La crescita dei grani è spiegata dal fatto che in presenza di un gran numero di piccoli grani, la loro superficie totale è molto grande, quindi il metallo ha un grande apporto di energia superficiale. Con l'ingrossamento dei grani, la lunghezza totale dei loro confini diventa più piccola, il che corrisponde al passaggio del metallo a uno stato di più equilibrio.

Con l'inizio della ricristallizzazione, si verifica un cambiamento significativo nelle proprietà del metallo, opposto al cambiamento delle proprietà durante l'indurimento. La forza del metallo diminuisce. Plasticità, viscosità, conducibilità termica e altre proprietà aumentano, che diminuiscono durante l'indurimento Le proprietà del metallo sono fortemente influenzate dalla dimensione dei grani risultante dalla ricristallizzazione. La granulometria aumenta con l'aumentare del tempo di tenuta. I grani più grandi si formano dopo una leggera deformazione preliminare. Questo grado di deformazione è chiamato critico.

Ricottura di ricristallizzazione. Questo tipo di ricottura viene eseguita per eliminare l'indurimento del metallo lavorato a freddo. Il metallo incrudito è molto duro e fragile, il suo reticolo cristallino è in uno stato di non equilibrio, con una grande riserva di energia libera in eccesso. Nel metallo fortemente indurito, a causa della fusione di dislocazioni nei punti del loro accumulo, si osservano difetti pericolosi: nuclei di crepe. In alcuni casi, l'indurimento deve essere rimosso. Ciò richiede il riscaldamento, che stimola i processi di diffusione. Tuttavia, la ricottura di ricristallizzazione è più preferibile a causa della temperatura significativamente più bassa e della durata molto più breve della sua implementazione con praticamente gli stessi risultati.

36. Ricottura del secondo tipo. Ricottura e normalizzazione degli acciai; modalità e scopo della ricottura e normalizzazione

La ricottura è il riscaldamento e il raffreddamento lento dell'acciaio. Ricottura del secondo tipo - modifica della struttura della lega per ottenere strutture di equilibrio; la ricottura del secondo tipo comprende la ricottura completa, incompleta e isotermica.

La ricottura di ricristallizzazione si basa sulla ricristallizzazione di fase, cioè è una ricottura del secondo tipo. Il suo scopo principale è un cambiamento completo nella composizione della fase. La temperatura di riscaldamento e il tempo di mantenimento devono fornire le trasformazioni strutturali desiderate, la velocità di raffreddamento viene scelta in modo tale che le trasformazioni della fase di diffusione inversa abbiano il tempo di verificarsi. Dopo la ricottura si ottiene una struttura a grana fine uniforme, la durezza diminuisce, la duttilità aumenta e la ricottura di tipo II viene utilizzata come trattamento termico preliminare e prima della lavorazione di parti in acciaio su macchine utensili.

A seconda della temperatura di riscaldamento si distingue tra ricottura completa e incompleta.

La ricottura completa viene utilizzata per l'acciaio ipoeutettoide. I prodotti vengono riscaldati per garantire la completa ricristallizzazione, la trasformazione della struttura originale di ferrite-perlite in austenite. Il suo scopo è migliorare la struttura dell'acciaio per facilitare la successiva lavorazione mediante taglio, stampaggio o indurimento, nonché per ottenere una struttura di perlite di equilibrio a grana fine nella parte finita.

La ricottura incompleta è associata alla ricristallizzazione di fase, viene utilizzata dopo la lavorazione a caldo per pressione, quando il pezzo ha una struttura a grana fine.

Dopo il raffreddamento si otterrà una struttura ruvida, costituita da grossi granelli di ferrite e perlite. L'acciaio ha una bassa duttilità. La produzione di cementite granulare è favorita dalla deformazione plastica a caldo precedente la ricottura, in cui viene frantumata la rete di cementite. L'acciaio con cementite granulare viene lavorato meglio con utensili da taglio e acquisisce una buona struttura dopo l'indurimento.

Per risparmiare tempo, viene eseguita la ricottura isotermica. Durante la ricottura isotermica, durante il processo di mantenimento, la temperatura si uniforma sulla sezione trasversale del prodotto. Ciò contribuisce a una struttura più uniforme e proprietà uniformi. Gli acciai legati sono sottoposti a tale ricottura. Durante la ricottura di acciai legati, aumenta non solo la durata del riscaldamento e della tenuta, ma anche la durata del raffreddamento. Gli acciai altolegati vengono raffreddati a bassa velocità grazie alla maggiore stabilità dell'austenite legata. La loro durezza rimane elevata dopo la ricottura, il che compromette la lavorabilità dell'utensile da taglio.

La normalizzazione è il trattamento termico dell'acciaio, in cui il prodotto viene riscaldato allo stato austenitico e raffreddato in aria ferma. La differenza tra normalizzazione e ricottura completa per gli acciai ipoeutettoidi è solo nella velocità di raffreddamento. Come risultato della normalizzazione, si ottiene una struttura più fine dell'eutettoide, si riducono le sollecitazioni interne, si eliminano i difetti che si sono verificati nel processo di precedente lavorazione dei prodotti. Durezza e resistenza sono superiori rispetto alla ricottura. La normalizzazione viene utilizzata come operazione intermedia che migliora la struttura. Le caratteristiche di questo tipo di trattamento termico sono la temperatura di riscaldamento e il raffreddamento in aria ferma. Queste caratteristiche sono dovute agli obiettivi specifici della normalizzazione. Per quanto riguarda gli acciai ipoeutettoidi, in particolare quelli a basso tenore di carbonio, la normalizzazione in tempi più brevi e con una maggiore semplicità del regime di raffreddamento consente di ottenere gli stessi risultati della ricottura.

Il raffreddamento in aria fornisce un alto grado di superraffreddamento dell'austenite rispetto alla ricottura, i suoi prodotti di decomposizione risultano essere più dispersi e la densità delle dislocazioni generate si avvicina a 108 cm2, per cui una struttura in acciaio a grana fine più favorevole con aumento le proprietà di resistenza possono essere ottenute mediante normalizzazione.

In alcuni casi, quando non sono richieste proprietà di resistenza aumentate dal materiale del prodotto, la normalizzazione sostituisce l'indurimento. Ciò è particolarmente vero per le parti in acciaio a basso tenore di carbonio, per le quali è escluso l'uso della tempra a causa dell'elevatissima velocità critica di tempra. Durante la normalizzazione degli acciai ipereutettoidi, a causa della separazione accelerata della cementite (secondaria) in eccesso dall'austenite, non si forma una rete di cementite indesiderabile attorno ai grani di perlite. A questo proposito, uno degli obiettivi della normalizzazione è la distruzione della citata rete negli acciai ipereutettoidi.

La ricottura di ricristallizzazione (ricristallizzazione) dell'acciaio avviene a temperature di 500-550 °C; ricottura per alleviare le sollecitazioni interne - a temperature di 600-700 °. Questi tipi di ricottura alleviano le sollecitazioni interne nei getti dal raffreddamento irregolare delle loro parti e nei pezzi lavorati mediante pressione a temperature inferiori a quelle critiche.

La ricottura per diffusione viene utilizzata nei casi in cui si osserva la segregazione intracristallina nell'acciaio. L'allineamento della composizione nei grani di austenite è ottenuto dalla diffusione di carbonio e altre impurità allo stato solido, insieme all'autodiffusione del ferro. Di conseguenza, l'acciaio diventa di composizione omogenea (omogenea), quindi la ricottura per diffusione è anche chiamata omogeneizzazione.

La temperatura di omogeneizzazione dovrebbe essere sufficientemente alta, ma i grani non dovrebbero essere bruciati.

37. Vacanza di acciai. Trasformazioni dell'acciaio durante il rinvenimento, cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà

Il rinvenimento è l'operazione di riscaldamento dell'acciaio temprato per ridurre le sollecitazioni residue e conferire una serie di proprietà meccaniche necessarie per il funzionamento a lungo termine del prodotto. Il rinvenimento avviene riscaldando le parti indurite per martensite ad una temperatura inferiore a quella critica. In questo caso, a seconda della temperatura di riscaldamento, si possono ottenere gli stati di martensite, troostite o sorbite da rinvenimento. Questi stati differiscono dagli stati di indurimento per struttura e proprietà: durante l'indurimento si ottiene cementite (in troostite e sorbite) sotto forma di lastre allungate, come nella perlite lamellare. E quando lo lasci, risulta essere granulare o punteggiato, come nella perlite granulare.

Durante il rinvenimento dell'acciaio indurito a martensite, in esso si verificano trasformazioni che portano alla decomposizione della martensite e alla formazione di una composizione di fase strutturale di equilibrio. L'intensità e il risultato di queste trasformazioni dipendono dalla temperatura di rinvenimento. La temperatura di rinvenimento viene scelta in funzione dello scopo operativo funzionale del prodotto.

Nel corso di molti anni di pratica operativa e di produzione, si sono sviluppati tre gruppi principali di prodotti, che richiedono i loro "propri" complessi specifici di proprietà di resistenza alla viscosità per il loro corretto funzionamento.

Il primo gruppo: utensili di misura da taglio e stampi per lo stampaggio a freddo. Il loro materiale richiede un'elevata durezza e un piccolo margine di viscosità. Il secondo gruppo è costituito da molle e molle, il cui materiale richiede una combinazione di un limite elastico elevato con una viscosità soddisfacente. Il terzo gruppo comprende la maggior parte delle parti di macchine soggette a carichi statici e soprattutto dinamici o ciclici. Con il funzionamento a lungo termine dei prodotti, il loro materiale richiede una combinazione di proprietà di resistenza soddisfacenti con la massima viscosità.

A seconda della temperatura di riscaldamento, ci sono tre tipi di rinvenimento: bassa temperatura (bassa), media temperatura (media) e alta temperatura (alta). Il vantaggio della struttura a punti è una combinazione più favorevole di resistenza e duttilità.

A basso rinvenimento (riscaldamento a una temperatura di 200-300°C), la martensite rimane principalmente nella struttura in acciaio, inoltre inizia la separazione dei carburi di ferro da una soluzione solida di carbonio in ferro XNUMX e il loro iniziale accumulo in piccoli gruppi . Ciò comporta una leggera diminuzione della durezza e un aumento delle proprietà plastiche e duttili dell'acciaio, nonché una diminuzione delle sollecitazioni interne delle parti.

Per la bassa tempra, le parti vengono conservate per un certo tempo, solitamente in bagni di olio o sale. Il basso rinvenimento viene utilizzato per il taglio, la misurazione di utensili e ingranaggi. Con medio e alto rinvenimento, l'acciaio dallo stato di martensite passa allo stato di troostite o sorbite. Maggiore è il rinvenimento, minore è la durezza dell'acciaio temprato e maggiore è la sua duttilità e tenacità. Con l'alta tempra, l'acciaio riceve una combinazione di proprietà meccaniche, maggiore resistenza, duttilità e tenacità, pertanto, l'alta tempra dell'acciaio dopo averlo temprato per la martensite è chiamata matrice di forgiatura, molle, molle e l'alta tempra è per molte parti soggette ad alta sottolinea.

Per alcuni tipi di acciaio, il rinvenimento viene eseguito dopo la normalizzazione. Questo si riferisce ad acciai ipoeutettoidi legati a grana fine (soprattutto nichel) con elevata tenacità e quindi scarsa lavorabilità con utensile da taglio. Per migliorare la lavorabilità, l'acciaio viene normalizzato ad una temperatura elevata (fino a 950-970°), per cui acquisisce una grande struttura (che determina una migliore lavorabilità) e allo stesso tempo una maggiore durezza (a causa del basso tasso critico di tempra dell'acciaio al nichel). Per ridurre la durezza, questo acciaio è temperato ad alta.

Lo scopo del rinvenimento non è semplicemente quello di eliminare le sollecitazioni interne nell'acciaio temprato. A basso rinvenimento, la martensite viene parzialmente liberata dagli atomi di carbonio che sovrasaturano il suo reticolo e la martensite da rinvenimento si basa su una soluzione solida supersatura di carbonio.

Il rinvenimento a media temperatura (medio) viene effettuato a una temperatura compresa tra 350 e 450 °C. Con tale riscaldamento si completa la decomposizione della martensite, portando alla formazione di ferrite e cementite normali per composizione e struttura interna. A causa dell'insufficiente intensità dei processi di diffusione, la granulometria delle fasi risultanti risulta essere molto piccola.

Il rinvenimento ad alta temperatura (alto) viene effettuato a 500-650 °C. In tali condizioni di riscaldamento, con maggiori processi di diffusione, si verifica la formazione di grani di ferrite e cementite di maggiori dimensioni, accompagnata da una diminuzione della densità di dislocazione e dalla completa eliminazione delle tensioni residue.

Il prodotto di degradazione della martensite, chiamato sorbite da rinvenimento, ottenuto ad alto rinvenimento, ha la viscosità più alta per l'acciaio.

Un tale complesso è ideale per parti di macchine soggette a carichi dinamici. A causa di questo vantaggio, il trattamento termico che combina tempra e rinvenimento è stato a lungo chiamato miglioramento.

38. Trattamento chimico-termico dell'acciaio. Scopo, tipi e modelli generali. Saturazione per diffusione di leghe con metalli e non metalli

Trattamento chimico-termico (CHT) - elaborazione con una combinazione di effetti termici e chimici per modificare la composizione, la struttura e le proprietà dello strato superficiale della parte nella direzione richiesta, in cui la saturazione superficiale del materiale metallico con l'elemento corrispondente avviene (C, T, B, Al, Cr, Si , T, ecc.) per sua diffusione allo stato atomico dall'ambiente ad alta temperatura.

Il trattamento chimico di metalli e leghe, sia allo scopo di indurire la superficie che di proteggerli dalla corrosione, aumenta l'affidabilità e la durata delle parti della macchina.

Il CTO comprende le principali fasi correlate:

1) la formazione di atomi attivi in un mezzo saturante e la loro diffusione sulla superficie del metallo trattato;

2) atomi attivi formati dall'adsorbimento dalla superficie di saturazione;

3) diffusione-movimento di atomi adsorbiti all'interno del metallo. Lo sviluppo del processo di diffusione porta alla formazione di uno strato di diffusione - il materiale della parte sulla superficie di saturazione, che differisce da quello iniziale per composizione chimica, struttura e proprietà.

Il materiale della parte sotto lo strato di diffusione, non influenzato dall'azione del mezzo attivo saturante, è chiamato nucleo. Lo spessore totale dello strato di diffusione è la distanza più breve dalla superficie di saturazione al nucleo. Lo spessore effettivo dello strato di diffusione è la distanza più breve dalla superficie di saturazione all'area misurata, che differisce dal valore nominale limite stabilito del parametro di base.

Il parametro di base dello strato di diffusione è un parametro del materiale che funge da criterio per modificare la qualità in base alla distanza dalla superficie di saturazione. La zona di transizione dello strato di diffusione è la parte interna dello strato di diffusione adiacente al nucleo, la cui lunghezza è determinata dalla differenza tra lo spessore totale e quello effettivo.

Stadio XTO - diffusione. Nei metalli, durante la formazione di soluzioni solide sostitutive, la diffusione avviene principalmente secondo il meccanismo della vacanza. Nella formazione di soluzioni solide interstiziali si realizza il meccanismo di diffusione lungo gli interstizi.

La cementazione dell'acciaio - XTO, che consiste nella saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio con carbonio quando riscaldato in un carburatore, viene eseguita a 930-950 ° C, quando l'austenite è stabile, dissolvendo il carbonio in grandi quantità.

Per la cementazione vengono utilizzati acciai legati a basso tenore di carbonio. Le parti vengono consegnate per la cementazione dopo la lavorazione con un sovrametallo di rettifica.

I principali tipi di stuccatura sono solidi e gas. La cementazione a gas è un processo tecnologico più avanzato rispetto alla cementazione solida. Nel caso della cementazione a gas si può ottenere una determinata concentrazione di carbonio nello strato; la durata del processo è ridotta; è prevista la possibilità di una completa meccanizzazione e automazione del processo; semplifica il trattamento termico delle parti.

Il trattamento termico è necessario per: correggere la struttura e smerigliare la grana dell'anima e dello strato cementato; ottenere elevata durezza nello strato cementato e buone proprietà meccaniche del nucleo. Dopo la cementazione, il trattamento termico consiste nella doppia tempra e rinvenimento. Lo svantaggio di tale trattamento termico è la complessità del processo tecnologico, la possibilità di ossidazione e decarburazione.

L'operazione finale è il basso rinvenimento a 160-180 °C, che trasforma la martensite indurita presente nello strato superficiale in martensite rinvenuta, alleviando le sollecitazioni e migliorando le proprietà meccaniche.

Nitrurazione dell'acciaio - XTO, che consiste nella saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio con azoto quando riscaldato in un mezzo appropriato. La durezza dello strato di acciaio nitrurato è superiore a quella dello strato cementato e si mantiene quando riscaldato ad alte temperature (450-500 °C), mentre la durezza dello strato cementato, che ha una struttura martensitica, si mantiene fino a 200 -225°C. La nitrurazione viene spesso eseguita a 500-600 °C.

Saturazione per diffusione di leghe con metalli e non metalli

La noiosa è la saturazione della superficie di metalli e leghe con boro al fine di aumentare la durezza, la resistenza all'usura e la resistenza alla corrosione. La bordatura viene applicata ad acciai delle classi perlitiche, ferritiche e austenitiche, metalli refrattari e leghe di nichel.

Siliconizzazione. Come risultato della saturazione per diffusione della superficie con silicio, aumentano la resistenza alla corrosione, la resistenza al calore, la durezza e la resistenza all'usura di metalli e leghe.

Cromatura - saturazione della superficie dei prodotti con cromo. Ghise, acciai di varie classi, leghe a base di nichel, molibdeno, tungsteno, niobio, cobalto e materiali metallo-ceramici sono sottoposti a cromatura per diffusione. La cromatura viene eseguita in camere a vuoto a 1420 °C.

L'alluminizzazione è un processo di saturazione per diffusione della superficie dei prodotti con alluminio al fine di aumentare la resistenza al calore, alla corrosione e all'erosione. Quando si allumina ferro e acciai, si osserva una graduale diminuzione della concentrazione di alluminio sullo spessore dello strato.

Lo scopo della tempra superficiale è aumentare la durezza, la resistenza all'usura e il limite di durata della superficie dei pezzi. Allo stesso tempo, il nucleo rimane viscoso e il prodotto percepisce carichi d'urto.

39. Invecchiamento. Scopo, cambiamento nella microstruttura e nelle proprietà delle leghe durante l'invecchiamento

Il rinvenimento e l'invecchiamento sono tipi di trattamento termico che modificano le proprietà delle leghe temprate.

Il termine rinvenimento è solitamente applicato solo a quelle leghe che sono state temprate con una trasformazione polimorfica, e il termine invecchiamento è usato nel caso di tempra senza trasformazione polimorfica (dopo tale tempra, viene fissata una soluzione solida sovrasatura).

Lo scopo della tempra dell'acciaio è di migliorarne le proprietà. Il rinvenimento dell'acciaio ammorbidisce l'effetto della tempra, riduce o rimuove le sollecitazioni residue, aumenta la tenacità, riduce la durezza e la fragilità dell'acciaio. Il rinvenimento avviene riscaldando le parti indurite per martensite ad una temperatura inferiore a quella critica.

A differenza del rinvenimento dopo l'invecchiamento, la forza e la durezza aumentano e la duttilità diminuisce.

Il processo principale durante l'invecchiamento è la decomposizione di una soluzione solida supersatura, che si ottiene a seguito della tempra.

Pertanto, l'invecchiamento delle leghe è associato a una solubilità variabile della fase in eccesso e l'indurimento durante l'invecchiamento si verifica a causa dei precipitati dispersi durante la decomposizione di una soluzione solida supersatura e delle conseguenti sollecitazioni interne.

Nelle leghe da invecchiamento, i precipitati da soluzioni solide supersature si presentano nelle seguenti forme principali: a lastra sottile (a forma di disco), equiassici (solitamente sferici o cubici) e aciculari. L'energia delle distorsioni elastiche è minima per i precipitati sotto forma di lastre sottili - lenti. Lo scopo principale dell'invecchiamento è aumentare la forza e stabilizzare le proprietà.

Si distingue tra invecchiamento naturale, invecchiamento artificiale e dopo deformazione plastica.

L'invecchiamento naturale è un aumento spontaneo della forza (e diminuzione della duttilità) di una lega indurita, che si verifica nel processo di mantenimento a temperatura normale. Il riscaldamento della lega aumenta la mobilità degli atomi, il che accelera il processo.

Le soluzioni solide a basse temperature si decompongono molto spesso allo stadio di formazione della zona. Queste zone sono regioni disperse che si arricchiscono di un componente in eccesso. Conservano la struttura cristallina che aveva la soluzione originale. Le zone prendono il nome da Guinier e Preston. Utilizzando la microscopia elettronica, queste zone possono essere osservate nelle leghe Al - Ag, che hanno la forma di particelle sferiche con un diametro di ~ 10 A. Le spalav Al-Cu hanno piastre di zona che hanno uno spessore di <10A.

L'invecchiamento artificiale è un aumento della forza che si verifica durante l'esposizione a temperature elevate. Se una lega indurita avente la struttura di una soluzione solida sovrasatura è soggetta a deformazione plastica, ciò accelera i processi che si verificano durante l'invecchiamento. Questo tipo di invecchiamento è chiamato deformazione. Il trattamento termico delle leghe di alluminio consiste in due cicli: indurimento e invecchiamento. L'invecchiamento comprende tutti i processi che si verificano in una soluzione solida supersatura: i processi che preparano il rilascio ei processi di rilascio. Una trasformazione in cui si verificano solo processi di precipitazione è chiamata indurimento per precipitazione.

Per la pratica, il periodo di incubazione è di grande importanza: il tempo durante il quale vengono eseguiti i processi preparatori nella lega indurita, il tempo durante il quale la lega indurita mantiene un'elevata duttilità. Ciò consente di eseguire la deformazione a freddo subito dopo la tempra.

Se durante l'invecchiamento si verificano solo processi di precipitazione, senza complessi processi preparatori, questo fenomeno è chiamato indurimento delle precipitazioni.

Il significato pratico del fenomeno dell'invecchiamento delle leghe è molto alto. Quindi, dopo l'invecchiamento, la resistenza aumenta e la duttilità dell'acciaio a basso tenore di carbonio diminuisce a causa della precipitazione dispersa in ferrite di cementite terziaria e nitruri.

L'invecchiamento è il modo principale per indurire le leghe di alluminio, alcune leghe di rame e molte leghe ad alta temperatura e altre. Attualmente, le leghe maraging vengono utilizzate sempre più ampiamente.

Oggi, molto spesso, invece del termine "invecchiamento naturale", viene utilizzato il termine "invecchiamento a bassa temperatura" e invece di "invecchiamento artificiale" - "invecchiamento ad alta temperatura". I primissimi metalli ad essere induriti dall'invecchiamento furono le leghe di alluminio. L'indurimento è stato effettuato a temperature superiori a 100 °C.

Le differenze nel processo di decomposizione si osservano in diversi intervalli di temperatura. Pertanto, per ottenere un insieme ottimale di proprietà nelle leghe, viene utilizzato un invecchiamento complesso, che avviene in una certa sequenza, a temperature basse e più elevate.

L'invecchiamento delle leghe, causato dal processo di decomposizione di una soluzione solida satura, è il più importante. Dopo il raffreddamento delle leghe compare uno stato di sovrasaturazione della soluzione solida. Ciò è dovuto al fatto che alle alte temperature aumenta la solubilità delle impurità e dei componenti di lega.

40. Classificazione e marcatura degli acciai legati. Influenza degli elementi di lega su trasformazioni, microstruttura e proprietà dell'acciaio; principi per lo sviluppo degli acciai legati

L'acciaio legato è un acciaio che contiene, oltre al carbonio e alle impurità convenzionali, altri elementi che ne migliorano le proprietà.

Cromo, nichel, manganese, silicio, tungsteno, molibdeno, vanadio, cobalto, titanio, alluminio, rame e altri elementi sono utilizzati per legare l'acciaio. Il manganese è considerato un componente di lega solo quando il suo contenuto in acciaio è superiore all'1% e il silicio - quando il contenuto è superiore allo 0,8%.

Nell'acciaio vengono introdotti elementi di lega che ne modificano le proprietà meccaniche, fisiche e chimiche e, a seconda dello scopo dell'acciaio, vengono introdotti elementi che modificano le proprietà nella giusta direzione.

L'acciaio legato di molti gradi acquisisce elevate proprietà fisiche e meccaniche solo dopo il trattamento termico.

In base alla quantità totale di elementi leganti contenuti nell'acciaio, è suddiviso in bassolegato (il contenuto totale di elementi leganti è inferiore al 2,5%), mediolegato (dal 2,5 al 10%) e altolegato (più di 10 %).

Lo svantaggio dell'acciaio al carbonio è che questo acciaio non ha la combinazione desiderata di proprietà meccaniche. Con un aumento del contenuto di carbonio, la forza e la durezza aumentano, ma allo stesso tempo la duttilità e la tenacità diminuiscono drasticamente e aumenta la fragilità. Gli utensili da taglio in acciaio al carbonio sono molto fragili e inadatti alle operazioni di carico d'urto sull'utensile.

L'acciaio al carbonio spesso non soddisfa i requisiti di una costruzione responsabile di macchine e di utensili. In questi casi è necessario utilizzare acciai legati.

Gli elementi di lega in relazione al carbonio sono divisi in due gruppi:

1) elementi che formano composti chimici stabili con carburi di carbonio (cromo, manganese, molibdeno, tungsteno, titanio); i carburi possono essere semplici (ad esempio, Cr₄ C) o leghe complesse (ad esempio, ((FeСг)7С3); la loro durezza è solitamente superiore alla durezza del carburo di ferro e la loro fragilità è inferiore;

2) elementi che non formano carburi in presenza di ferro e sono inclusi nella soluzione solida - ferrite (nichel, silicio, cobalto, alluminio, rame).

Su appuntamento, gli acciai legati sono suddivisi in strutturali, utensili e acciai con particolari proprietà fisiche e chimiche.

L'acciaio strutturale viene utilizzato per la fabbricazione di parti di macchine; è diviso in cementato (sottoposto a cementazione) e migliorato (soggetto a miglioramento - tempra e rinvenimento elevato). Gli acciai con proprietà speciali includono: inossidabile, resistente al calore, resistente agli acidi, resistente all'usura, con speciali proprietà magnetiche ed elettriche.

Marcatura secondo GOST per la designazione degli elementi di lega: X - cromo, H - nichel, G - manganese, C - silicio, B - tungsteno, M - molibdeno, K - cobalto.

Per gli acciai legati da costruzione viene adottata una marcatura secondo la quale le prime due cifre indicano il contenuto medio di carbonio in centesimi di percento, le lettere indicano la presenza dei corrispondenti elementi di lega e i numeri che seguono le lettere indicano la percentuale di questi componenti in acciaio. Se non c'è un numero dopo nessuna lettera, il contenuto di questo elemento in acciaio è approssimativamente uguale all'1%. Se manca la cifra, l'acciaio contiene circa o più dell'1% di carbonio.

Per designare l'acciaio di alta qualità, alla fine della marcatura viene aggiunta la lettera A. L'acciaio di alta qualità contiene meno zolfo e fosforo rispetto al normale acciaio di alta qualità.

Gli acciai per usi speciali hanno una marcatura speciale dalle lettere poste davanti: Ш - cuscinetto a sfere, Р - taglio ad alta velocità, Zh - classe ferritica inossidabile al cromo, Я - classe austenitica inossidabile al cromo-nichel, Е - acciaio elettrico.

Molti acciai possono essere attribuiti a materiali tecnici che hanno proprietà di resistenza sufficientemente elevate. Tali acciai includono: acciai al carbonio, acciai bassolegati, acciai mediolegati ad alta resistenza, acciai altolegati ad alta resistenza (invecchiamento martensitico).

Tutti gli acciai legati possono essere suddivisi in gruppi secondo quattro caratteristiche: secondo la struttura di equilibrio dell'acciaio, secondo la struttura dopo aver raffreddato l'acciaio in aria, secondo la composizione dell'acciaio, secondo lo scopo dell'acciaio.

A seconda della quantità di carbonio contenuta nell'acciaio, si distinguono i seguenti tipi: a basso tenore di carbonio fino a 0.1-0.2%, a medio tenore di carbonio e ad alto tenore di carbonio 0.6-1.7% C.

La struttura degli acciai può essere ipoeutettoide (ferrite + perlite), eutettoide (perlite) e ipereutettoide (perlite + cementite).

Esistono tre modi per fondere l'acciaio: bollitura, semi-calma, metodi calmi. Con il metodo dell'ebollizione, la struttura in acciaio contiene un gran numero di bolle di gas, che sono il risultato della disossidazione dell'acciaio negli stampi e dell'evoluzione della CO.

Gli acciai si ottengono anche utilizzando convertitori, forni elettrici e impianti di colata continua.

41. Acciai strutturali: edilizia, ingegneria, alta resistenza. Acciai per utensili: acciai per utensili, acciai per cuscinetti, acciai per stampi

Gli acciai per utensili al carbonio U8, U10, U11, U12, a causa della bassa stabilità dell'austenite super raffreddata, hanno una bassa temprabilità, sono utilizzati per piccoli utensili.

Gli acciai U10, U11, U12 sono utilizzati per utensili da taglio (trapani, lime), U7 e U8 - per utensili per la lavorazione del legno. Gli acciai possono essere utilizzati come utensili da taglio solo per il taglio a bassa velocità, poiché la loro elevata durezza (U10-U12-62-63НРС) si riduce notevolmente se riscaldati oltre 190-200 °C.

Gli acciai legati con temprabilità aumentata che non hanno resistenza al calore (11HF, 13X, HVSG, 9XS, X, V2F) sono adatti per il taglio di materiali a bassa resistenza, vengono utilizzati per utensili che non sono soggetti a calore durante il funzionamento. Gli acciai legati hanno una temprabilità maggiore rispetto agli acciai al carbonio.

Gli acciai ad alta velocità (R6M5, R12F3, R8M3) hanno un'elevata resistenza al calore e hanno un'elevata durezza, resistenza e resistenza all'usura a temperature elevate che si verificano nel tagliente durante il taglio ad alta velocità. I principali elementi di lega di questi acciai sono tungsteno, molibdeno, cobalto e vanadio.

L'acciaio al carbonio è diviso in acciaio strutturale (acciaio dolce e medio duro) e acciaio per utensili (duro).

L'acciaio strutturale secondo GOST è suddiviso in:

1) acciaio al carbonio di qualità ordinaria, laminato a caldo, fuso con il metodo a focolare aperto o Bessemer;

2) acciaio al carbonio di alta qualità, per la costruzione di macchine, laminati a caldo e forgiati, fusi in forni a focolare aperto o elettrici. Questo acciaio viene utilizzato per la produzione di parti più critiche di macchine e meccanismi.

L'acciaio legato strutturale viene utilizzato per la produzione di parti critiche di macchine e strutture metalliche.

Acciaio a tripla lega. Il cromo come componente di lega aumenta la resistenza dell'acciaio ed è relativamente economico. Il cromo conferisce all'acciaio una buona resistenza all'usura e, con un aumento della quantità di carbonio, un'elevata durezza dovuta alla formazione di carburi.

L'acciaio al cromo basso e medio legato è ampiamente utilizzato nell'industria aeronautica, automobilistica e dei trattori, nonché in altri rami dell'ingegneria per la produzione di assali, alberi, ingranaggi e altre parti.

L'acciaio al cromo con un contenuto di 0,4-1,65% Cr e 0,95-1,15% C forma un gruppo di acciai per cuscinetti a sfere. L'acciaio al cromo bassolegato viene utilizzato anche per la produzione di utensili. L'acciaio al cromo altolegato è inossidabile ed è resistente alla corrosione non solo nell'aria, ma anche in ambienti aggressivi. Mantiene la resistenza a temperature elevate e viene utilizzato per la produzione di pale di turbine, cilindri ad alta pressione e tubi di surriscaldamento.

Il nichel è un eccellente elemento di lega, ma è molto costoso e scarso. Cercano di usarlo in combinazione con cromo e manganese. Il nichel aumenta la resistenza, la tenacità e la durezza (dopo la tempra) dell'acciaio, riducendo leggermente la duttilità e aumentando notevolmente la temprabilità e la resistenza alla corrosione. Dopo la tempra e il basso rinvenimento, l'acciaio al nichel ha un'elevata durezza ma non fragilità.

L'acciaio al nichel a bassa e media lega è utilizzato nell'industria automobilistica e nell'ingegneria critica. L'acciaio al nichel altamente legato ha proprietà speciali. Con un contenuto di silicio superiore allo 0,8%, la resistenza, l'elasticità e la durezza dell'acciaio aumentano, riducendone la tenacità.

L'acciaio al silicio a basso tenore di carbonio viene utilizzato per la costruzione di ponti e non è sottoposto a trattamento termico.

L'acciaio 55C2, 6 °C2 viene utilizzato per la produzione di molle e molle. Dopo la tempra e il rinvenimento, questo acciaio ha un'elevata resistenza alla trazione ed elasticità.

Il manganese aumenta la durezza e la resistenza dell'acciaio, ne aumenta la temprabilità e migliora la saldabilità. L'acciaio legato al manganese è chiamato acciaio, che contiene almeno l'1% di Mn. In pratica viene utilizzato acciaio al manganese bassolegato e altolegato.

Si è diffuso il grado di acciaio altolegato G13, che ha un'altissima viscosità e resistenza all'abrasione da impatto: viene utilizzato per realizzare scambi ferroviari e croci, visiere di draghe.

Acciaio legato per utensili. Per ogni tipologia di utensile è necessario utilizzare l'acciaio più idoneo per qualità alle condizioni di lavoro date.

L'acciaio bassolegato per utensili da taglio non differisce per la sua capacità di taglio dall'acciaio al carbonio e viene utilizzato a basse velocità di taglio.

I gradi comuni di acciaio bassolegato per utensili da taglio sono:

1) acciaio di grado X - cromo (per la produzione di frese, trapani);

2) grado di acciaio 9XC - cromo-silicio (per la produzione di frese, trapani);

3) acciaio di grado B1 - tungsteno (per la produzione di punte elicoidali, alesatori).

42. Acciai inossidabili, resistenti al calore e al calore, al freddo, elettrici e all'usura

La resistenza alla corrosione dell'acciaio aumenta se il contenuto di carbonio viene ridotto al minimo possibile e viene introdotto un elemento di lega che forma soluzioni solide con il ferro in quantità tale che il potenziale elettrodo della lega aumenta. L'acciaio resistente alla corrosione atmosferica è chiamato acciaio inossidabile. L'acciaio o una lega che ha un'elevata resistenza alla corrosione da acidi, sali, alcali e altri mezzi aggressivi è chiamato resistente agli acidi.

La corrosione è la distruzione dei metalli dovuta all'interazione della loro interazione elettrochimica con l'ambiente. I materiali strutturali hanno un'elevata resistenza alla corrosione. Gli acciai al carbonio e bassolegati sono instabili alla corrosione nell'atmosfera, nell'acqua e in altri mezzi. I resistenti alla corrosione sono metalli e leghe in grado di resistere agli effetti corrosivi dell'ambiente.

Il cromo è il principale elemento di lega che rende l'acciaio resistente alla corrosione in ambienti ossidanti.

La resistenza al calore è la capacità dei metalli e delle leghe di resistere agli effetti corrosivi dei gas ad alte temperature. L'effetto corrosivo dei gas porta all'ossidazione dell'acciaio ad alte temperature. L'intensità dell'ossidazione è influenzata dalla composizione e dalla struttura del film di ossido. Se il film è poroso, l'ossidazione si verifica intensamente, se è denso, rallenta o si ferma del tutto.

Per ottenere un denso film di ossido, che impedisce la penetrazione dell'ossigeno in profondità nell'acciaio, viene legato con cromo, silicio o alluminio. Maggiore è l'elemento legante nell'acciaio, maggiore è la sua resistenza al calore.

Resistenza al calore. Per un materiale da utensile, è determinato dalla temperatura più alta alla quale mantiene le sue proprietà di taglio. La resistenza al calore dei materiali degli utensili utilizzati varia da 200 a 1500 ° C. In base al grado di diminuzione della resistenza al calore, i materiali sono disposti nel seguente ordine: superduri, ceramiche da taglio, leghe dure, ad alta velocità, legati, carbonio acciai. Anche se esposto a temperature per lungo tempo, le elevate proprietà di resistenza al calore devono rimanere allo stesso livello. Il metallo delle filiere calde deve offrire una resistenza al rinvenimento stabile.

La resistenza al calore è la capacità dell'acciaio di resistere alle sollecitazioni meccaniche alle alte temperature. Gli acciai e le leghe resistenti al calore sono quelli che possono lavorare a lungo sotto carico ad alte temperature. Gli acciai resistenti al calore sono generalmente resistenti al calore allo stesso tempo.

Lo scorrimento è una deformazione che aumenta sotto l'azione prolungata di carico costante e temperatura elevata. Per gli acciai strutturali al carbonio e legati, lo scorrimento si verifica a temperature superiori a 350 °C.

Lo scorrimento è caratterizzato dal limite di scorrimento, inteso come la sollecitazione che provoca la deformazione dell'acciaio di una certa quantità in un certo tempo a una data temperatura.

Leghe resistenti al calore. Lo sviluppo di leghe di nichel resistenti al calore iniziò con piccole aggiunte di titanio e alluminio al normale nichelcromo. L'aggiunta di meno del 2% di titanio e alluminio senza trattamento termico aumenta significativamente le prestazioni di scorrimento del nicromo a temperature intorno ai 700 °C.

Le leghe di nichel resistenti al calore sono suddivise in leghe lavorate e fuse. Le proprietà termoresistenti delle leghe lavorate si formano durante il trattamento termico. Le leghe di nichel per alte temperature fuse hanno una composizione simile alle leghe lavorate, ma di solito contengono una quantità maggiore di alluminio e titanio.

Resistenza al freddo: la capacità di un metallo di resistere alla deformazione e alla distruzione, che possono verificarsi sotto l'influenza delle basse temperature.

L'acciaio elettrico è un sottile foglio di acciaio dolce. I nuclei delle apparecchiature elettriche sono costituiti da esso. Questo acciaio contiene silicio. Esistono acciai elettrici laminati a freddo e laminati a caldo, nonché acciai per dinamo e trasformatori. Per la lega di acciaio elettrico, viene utilizzato lo 0,5% di Al.

Acciaio resistente all'usura. Per parti operanti in condizioni di usura abrasiva, pressioni elevate e urti (cingoli di veicoli a cingoli, ganasce di frantoi, punti di scambio di binari ferroviari e tram), acciaio fuso ad alto contenuto di manganese 110G13L di struttura austenitica contenente 0,9% C e 11,5% Mn è Usato.

Allo stato fuso, la struttura in acciaio è costituita da austenite e carburi di tipo (Fe, Mn)3C, che precipitano lungo i bordi dei grani di austenite, e la sua resistenza e resistenza all'urto sono notevolmente ridotte, quindi le parti fuse sono soggette a tempra con riscaldamento fino a 1100°C e raffreddamento in acqua. A questa temperatura, i carburi si dissolvono nell'austenite e l'acciaio acquisisce una struttura austenitica più stabile.

In condizioni di impatto e usura abrasiva, nello strato superficiale dell'acciaio si formano difetti nella struttura cristallina (dislocazioni, difetti di accatastamento) che portano all'indurimento superficiale. Un aumento della durezza e della resistenza all'usura come risultato dell'incrudimento è possibile sotto carichi d'urto e deformazione plastica a freddo.

A causa della tempra, l'acciaio 110G13L è scarsamente lavorato mediante taglio, quindi è consigliabile fabbricare parti o prodotti da questo acciaio mediante fusione senza lavorazione successiva. La lettera L alla fine del marchio di questo acciaio significa "fusione".

43. Marcatura, struttura, proprietà e applicazioni dei metalli non ferrosi e loro leghe

I metalli non ferrosi includono rame, alluminio, magnesio, titanio, piombo, zinco e stagno, che hanno proprietà preziose e sono utilizzati nell'industria nonostante il loro costo relativamente elevato. A volte, quando possibile, i metalli non ferrosi vengono sostituiti con metalli ferrosi o materiali non metallici (come la plastica).

Si distinguono i seguenti gruppi di metalli non ferrosi e leghe: metalli leggeri e leghe (con densità 3.0 g/cm3); leghe di rame e leghe speciali non ferrose - cupronichel, non argento, leghe preziose, ecc.

Nell'industria delle applicazioni, il rame occupa uno dei primi posti tra i metalli non ferrosi. Proprietà del rame: elevata duttilità, conducibilità elettrica, conducibilità termica, maggiore resistenza alla corrosione. Il rame è utilizzato nell'ingegneria elettrica, nella produzione di cavi e fili per la trasmissione di elettricità, e funge da base per la produzione di varie leghe ampiamente utilizzate nell'ingegneria meccanica.

L'alluminio è un metallo leggero dotato di elevata duttilità, buona conduttività elettrica e resistenza alla corrosione. Viene utilizzato per la fabbricazione di cavi elettrici, utensili, per la protezione di altri metalli e leghe dall'ossidazione mediante rivestimento. Nell'ingegneria meccanica, l'alluminio puro è usato raramente, perché ha basse proprietà meccaniche. L'alluminio è la base per la produzione di molte leghe ampiamente utilizzate nella costruzione di aerei, automobili e carrozze e nella costruzione di strumenti. Le leghe di alluminio sono deformate (indurite mediante trattamento termico e non indurite) e fuse. Il duralluminio è la lega più comune, che viene utilizzata in una forma deformata ed è rinforzata dal trattamento termico.

Il magnesio è il metallo più comune ed è di colore bianco argenteo. Il grande vantaggio del magnesio è che è un metallo molto leggero. Lo svantaggio principale è la sua bassa resistenza alla corrosione. Il magnesio puro non ha trovato distribuzione nella tecnologia, ma viene utilizzato come base per la produzione di leghe leggere.

Sono stati stabiliti i seguenti gradi di metalli non ferrosi (GOST):

alluminio - AB1, AB2, AOO, AO, A1, A2 e A3;

rame - MO, M1, M2, ME, M4;

stagno - 01, 02, OE e 04; piombo - CB, CO, C1, C2, C3, C4;

zinco - TsV, TsO, Ts1, Ts2, Ts3, Ts4;

magnesio - Mg1, Mg2.

Ottone. Rispetto al rame puro, l'ottone ha una maggiore resistenza, duttilità e durezza, sono più fluidi e resistenti alla corrosione.

Oltre al semplice ottone vengono utilizzati ottoni speciali con aggiunte di ferro, manganese, nichel, stagno e silicio. La quantità di componenti in lega in ottone speciale non supera il 7-8%. Gli ottoni speciali hanno proprietà meccaniche migliorate; alcuni di loro non hanno una resistenza inferiore all'acciaio al carbonio medio.

Secondo GOST, l'ottone è designato dalla lettera L e da un numero che indica la quantità di rame nella lega.

La designazione dei componenti di lega è la seguente: F - ferro; H - nichel; O - stagno; K - silicio; C - piombo. La quantità del componente legante è indicata in numeri.

Gli ottoni sono fonderia (usati per la colata sagomata) e sottoposti a trattamento a pressione. L'ottone viene utilizzato per la fabbricazione di lamiere, fili, manicotti, raccordi stampati, utensili.

I bronzi sono: stagno, alluminio, silicio, nichel. I bronzi allo stagno hanno un'elevata resistenza alla corrosione, una buona fluidità e migliorate proprietà antifrizione. I getti sono fatti da loro. I semplici bronzi di stagno sono usati raramente, poiché l'introduzione di elementi aggiuntivi (zinco, piombo, nichel) può ottenere proprietà migliori con un contenuto inferiore di stagno scarso.

Secondo GOST, i bronzi di stagno sono contrassegnati con le lettere BrO e un numero che indica il contenuto di stagno; lettere e numeri successivi mostrano la presenza e la quantità di elementi aggiuntivi nel bronzo. Per designare elementi aggiuntivi, vengono utilizzate le stesse lettere di quando si contrassegna un ottone speciale; lo zinco è indicato dalla lettera C e il fosforo dalla lettera F.

Lo stagno è un metallo costoso ed è usato raramente nella pratica. I sostituti del bronzo allo stagno sono alluminio, silicio, manganese e altri bronzi.

Il bronzo alluminio viene utilizzato con un contenuto fino all'11% di A1. Per struttura, il bronzo è principalmente (fino al 9,7% di Al) monofase ed è una soluzione solida di alluminio in rame. In termini di proprietà meccaniche, il bronzo alluminio è migliore del bronzo allo stagno, ha duttilità, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura.

Lo svantaggio è un grande restringimento durante il raffreddamento da uno stato liquido, nonché nella facile formazione di ossidi di alluminio nel bronzo liquido, che ne compromette la fluidità. Ulteriori elementi (ferro, manganese) ne aumentano le proprietà meccaniche. Il bronzo al silicio appartiene a leghe omogenee - soluzioni solide, ha elevate proprietà meccaniche e di colata. Sostituisce il bronzo allo stagno. Manganese e nichel vengono introdotti nei bronzi al silicio per migliorarne le proprietà.

44. Alluminio; l'influenza delle impurità sulle proprietà dell'alluminio; leghe di alluminio lavorate e fuse

L'alluminio si distingue per bassa densità, elevata conduttività termica ed elettrica, buona resistenza alla corrosione in molti ambienti grazie alla formazione di un denso film di ossido di Al sulla superficie del metallo.₂0₃. L'alluminio tecnico ricotto ADM è indurito dalla deformazione plastica a freddo.

L'alluminio è altamente duttile e facilmente lavorabile a pressione, tuttavia, durante il taglio, sorgono complicazioni, uno dei motivi è l'adesione del metallo all'utensile.

A seconda di quali impurità sono presenti nell'alluminio, si osservano cambiamenti nella sua corrosione, proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche. La maggior parte delle impurità influisce negativamente sulla conduttività elettrica dell'alluminio. Le impurità più comuni sono ferro, silicio. Il ferro, insieme alla conduttività elettrica, riduce la duttilità e la resistenza alla corrosione e aumenta le proprietà di resistenza dell'alluminio. La presenza di ferro nelle leghe di alluminio con silicio e magnesio influisce negativamente sulle proprietà della lega. Solo in quelle leghe di alluminio dove è presente il nichel, il ferro è considerato un'utile impurità.

L'impurità più comune nelle leghe di alluminio è il silicio. Questo metallo, oltre a rame, magnesio, zinco, manganese, nichel e cromo, sono introdotti nelle leghe di alluminio come componenti principali. Composti CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂- rafforzare efficacemente le leghe di alluminio.

Elementi di lega base in leghe di alluminio. Il manganese migliora la resistenza alla corrosione. Il silicio è il principale elemento di lega in un certo numero di leghe di alluminio fuso (silumin), poiché partecipa alla formazione di eutettici.

Ni, Ti, Cr, Fe aumentano la resistenza al calore delle leghe, inibendo i processi di diffusione e formando fasi di indurimento stabili e complesse. Il litio nelle leghe contribuisce ad aumentare il loro modulo di elasticità. Allo stesso tempo, il magnesio e il manganese riducono la conduttività termica ed elettrica dell'alluminio e del ferro, la sua resistenza alla corrosione.

Marcatura di leghe di alluminio. Attualmente vengono utilizzate contemporaneamente due marcature in lega: la vecchia alfanumerica e la nuova digitale. Insieme a questo, c'è una marcatura alfanumerica della lavorazione tecnologica di semilavorati e prodotti, che riflette qualitativamente le proprietà meccaniche, chimiche e di altro tipo della lega.

Classificazione delle leghe di alluminio. Le leghe di alluminio si suddividono principalmente in leghe di alluminio lavorato e fuso, poiché i processi di deformazione plastica e colata sono utilizzati nella produzione di leghe in polvere e materiali compositi.

Le leghe di alluminio sono suddivise in base alla loro capacità di essere temprate mediante trattamento termico in temprate e non temprate. Possono essere sottoposti a omogeneizzazione, ricristallizzazione e ricottura di rammollimento.

Le leghe del sistema Al-Cu-Mg - duralluminio D1, D16, D18, D19, ecc.Si distinguono per una buona combinazione di resistenza e duttilità.Il trattamento termico rafforza i duralluminio, aumenta la loro saldabilità mediante saldatura a punti. Possono essere lavorati in modo soddisfacente, ma sono soggetti a corrosione intergranulare dopo il riscaldamento. Un aumento significativo della resistenza alla corrosione delle leghe si ottiene con il rivestimento.

Nell'aviazione, i duralluminio vengono utilizzati per la produzione di pale dell'elica (D1), elementi di potenza delle strutture degli aeromobili (D16, D19).

Le leghe ad alta resistenza del sistema Al-Zn-Mg-Cu (V93, V95, V96Ts) sono caratterizzate da elevati valori di resistenza alla trazione (fino a 700 MPa). Allo stesso tempo, si ottengono duttilità, resistenza alla cricca e resistenza alla corrosione sufficienti mediante invecchiamento graduale per coagulazione (T2, T95), nonché utilizzando leghe di purezza elevata (V95kch) e speciale (VXNUMXoch).

La lega ad alto modulo 1420, grazie alla lega di alluminio con litio e magnesio (sistema Al-M-Li), ha una densità ridotta (dell'11%) e contemporaneamente un modulo elastico aumentato (del 4%). .

Le leghe per forgiatura AK6 e AK8 (sistema Al-M-Si-Cu) hanno un'elevata plasticità durante la lavorazione a caldo. Sono saldati in modo soddisfacente, ben lavorati, ma soggetti a corrosione sotto sforzo. Per garantire la resistenza alla corrosione, le parti in leghe AK6 e AK8 sono anodizzate o rivestite con pitture e vernici. Le leghe per forgiatura vengono utilizzate per realizzare parti di aeromobili forgiate e stampate che funzionano sotto carico. Queste leghe sono in grado di funzionare a temperature criogeniche.

Le leghe di alluminio resistenti al calore dei sistemi A1-Cu-Mn (D20, D21) e Al-Cu-Mg-Fe-Ni (AK4-1) sono utilizzate per la fabbricazione di parti (pistoni, testate cilindri, dischi) funzionanti a temperature elevate (fino a 300°C). La resistenza al calore si ottiene legando leghe con nichel, ferro e titanio, che inibiscono i processi di diffusione e formano fasi di rinforzo finemente disperse in lega complessa che sono resistenti alla coagulazione al riscaldamento. Le leghe hanno elevata duttilità e lavorabilità allo stato caldo.

Leghe di alluminio fuso.

I requisiti principali per le leghe per getti sagomati sono una combinazione di buone proprietà di colata (elevata fluidità, basso ritiro, bassa criccatura a caldo e porosità) con ottime proprietà meccaniche e chimiche (resistenza alla corrosione). Le leghe eutettiche hanno le migliori proprietà di colata.

45. Rame; influenza delle impurità sulle proprietà del rame. Ottone, bronzo, leghe rame-nichel

Il rame è un metallo rosso, in una frattura rosa, ha un punto di fusione di 1083 ° C. Il reticolo cristallino FCC con un periodo di 0,31607 buche. La densità del rame è 8,94 g/cm3. Il rame ha un'elevata conduttività elettrica e termica. La resistenza elettrica specifica del rame è 0,0175 μOhm m.

Gradi di rame: M00 (99,99% Cu), MO (99,97% Cu), M1 (99,9% Cu), M2 (99,7% Cu), M3 (99,50% Cu). Le impurità presenti nel rame hanno una grande influenza sulle sue proprietà.

Secondo la natura dell'interazione delle impurità con il rame, possono essere divisi in tre gruppi.

1. Impurezze che formano soluzioni solide con il rame: Ni, Zn, Sb, Fe. P e altri Queste impurità (soprattutto Sb) riducono drasticamente la conduttività elettrica e la conduttività termica del rame, pertanto il rame M0 e M1 sono utilizzati per i conduttori di corrente. L'antimonio rende difficile la lavorazione a caldo.

2. Impurezze Pb, Bi e altre, praticamente insolubili nel rame, formano in esso eutettici bassofondenti che, separandosi lungo i bordi dei grani, ne rendono difficile la lavorazione a pressione.

A un contenuto di 0,005% Bi, il rame viene distrutto durante la lavorazione a caldo per pressione, a un contenuto di bismuto più elevato, il rame diventa fragile a freddo; queste impurità hanno scarso effetto sulla conduttività elettrica.

3. Impurità di ossigeno e zolfo, che formano composti chimici fragili Cu con rame₂O e Cu₂S, che fanno parte dell'eutettico. Se l'ossigeno è in soluzione, riduce la conduttività elettrica e lo zolfo non la influisce. Lo zolfo migliora la lavorabilità del rame mediante taglio e l'ossigeno, se presente nel rame, forma ossido rameoso e provoca la "malattia dell'idrogeno".

Quando il rame viene riscaldato in un'atmosfera contenente idrogeno, si diffonde nella profondità del rame. Se ci sono inclusioni di Cu nel rame₂Oh, reagiscono con l'idrogeno, provocando la formazione di vapore acqueo. Due gruppi principali di leghe di rame: ottone - leghe di rame con zinco; i bronzi sono leghe di rame con altri elementi.

L'ottone è una lega multicomponente a base di rame, dove il componente principale è lo zinco. Gli ottoni tecnici contengono fino al 40-45% di Zn. L'ottone b monofase, che si deforma facilmente allo stato freddo e caldo, include L96 (tompak), L80 (semi-tompak), L68, che ha la più alta duttilità. Bifase (α + β) - ottone, L59 e L60 sono meno duttili allo stato freddo e sono sottoposti a trattamento a pressione calda.

Sulla base della tecnologia, l'ottone è diviso in due gruppi: deformato e fonderia. Gli ottoni fusi non sono molto inclini alla liquidazione e hanno proprietà antifrizione.

Gli ottoni lavorati hanno elevate proprietà corrosive in condizioni atmosferiche.

L'ottone, destinato alla colata sagomata, contiene un gran numero di additivi speciali che ne migliorano le proprietà di colata.

Bronzi di stagno. Le leghe ricche di stagno sono molto fragili. I bronzi allo stagno sono solitamente legati con Zn, Pe, P, Pb, Ni e altri elementi. Lo zinco migliora le proprietà tecnologiche del bronzo e riduce il costo del bronzo. Il fosforo migliora le proprietà di colata. Il nichel aumenta le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione e la densità dei getti e riduce la segregazione. Il ferro macina il grano, ma peggiora le proprietà tecnologiche dei bronzi e la resistenza alla corrosione.

Esistono bronzi di stagno lavorati e fusi, che hanno buone proprietà di colata. I bronzi bifase hanno elevate proprietà antifrizione. Sono utilizzati per la produzione di parti antifrizione.

Le leghe di nichel sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria meccanica. Il nichel conferisce al rame una maggiore resistenza alla corrosione e ne migliora le proprietà meccaniche e di colata. I bronzi che contengono solo nichel non vengono utilizzati a causa dell'alto costo del nichel. Il nichel viene introdotto in combinazione con altri elementi.

Le leghe di nichel sono comuni nell'industria, che hanno i seguenti nomi: cupronichel (lega di rame con il 18-20% di nichel) - utilizzato per i manicotti, ha un colore bianco e un'elevata resistenza alla corrosione; la costantana è una lega di rame con il 39-41% di nichel. La costantana ha un'elevata resistenza elettrica e viene utilizzata sotto forma di fili e nastri per reostati, strumenti di misura elettrici.

Il rame e le sue leghe sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria elettrica, nell'elettronica, nella strumentazione, nella fonderia e nella costruzione di motori. Pertanto, il 50% del rame prodotto viene consumato dalle industrie elettriche ed elettroniche. È al secondo posto (dopo l'alluminio) in termini di produzione tra i metalli non ferrosi.

Proprietà tecniche e tecnologiche del rame: elevata conducibilità elettrica e termica, sufficiente resistenza alla corrosione, buona lavorabilità a pressione, saldabilità con tutti i tipi di saldatura, buona saldabilità, facile lucidabilità. Il rame puro ha una bassa resistenza e un'elevata duttilità. Gli svantaggi del rame includono:

- alto prezzo;

- densità significativa;

- grande ritiro durante la colata;

- fragilità calda;

- la complessità del taglio.

46. Magnesio e sue leghe

Il magnesio è un metallo reattivo: il film di ossido MdO che si forma nell'aria, per la sua densità superiore a quella del magnesio stesso, si screpola e non ha proprietà protettive; la polvere e i trucioli di magnesio sono altamente infiammabili; il magnesio caldo e fuso esplode a contatto con l'acqua.

Il magnesio e le sue leghe sono poco resistenti alla corrosione, hanno una bassa fluidità durante la colata e si deformano plasticamente solo a temperature elevate (225 °C o più). Quest'ultimo è dovuto al fatto che lo spostamento nel reticolo esagonale del magnesio alle basse temperature avviene solo lungo il piano basale (la base del prisma esagonale). Il riscaldamento a 200-300 °C porta alla comparsa di ulteriori piani di scorrimento e, di conseguenza, ad un aumento della plasticità. La mobilità a bassa diffusione degli atomi nelle leghe di magnesio rallenta le trasformazioni di fase in esse. Pertanto, il trattamento termico (ricottura di diffusione o ricristallizzazione, tempra, invecchiamento) richiede lunghe esposizioni (fino a 24 h).

Allo stesso tempo, le leghe di magnesio sono caratterizzate da un'elevata resistenza specifica, assorbono bene le vibrazioni e non interagiscono con l'uranio. Sono ben lavorati mediante taglio e saldati in modo soddisfacente mediante arco di argon e contatto

saldatura. I principali elementi di lega nelle leghe di magnesio sono Mn, Al e Zn.

Il manganese aumenta la resistenza alla corrosione e la saldabilità delle leghe di magnesio. Alluminio e zinco hanno una grande influenza sulla resistenza e duttilità delle leghe di magnesio: i valori massimi delle caratteristiche meccaniche si ottengono quando nella lega viene introdotto il 6-7% di alluminio o il 4-6% di zinco. Questi elementi (Al, Zn) formano con il magnesio fasi di indurimento, che precipitano in forma finemente dispersa dopo tempra con l'invecchiamento.

Zirconio, titanio, terre alcaline (Ca) e terre rare (Ce, 1a) e torio macinano il grano, disossidano la lega e ne aumentano la resistenza al calore.

Secondo la tecnologia di produzione dei prodotti, le leghe di magnesio sono suddivise in fonderia (marcatura "ML") e lavorate ("MA"). Le leghe di magnesio sono sottoposte a vari tipi di trattamento termico.

Quindi, per eliminare la segregazione nelle leghe fuse (dissolvendo le fasi in eccesso rilasciate durante la colata ed equalizzando la composizione chimica sul volume dei grani), viene eseguita la ricottura per diffusione (omogeneizzazione) di getti e lingotti sagomati (400–490 °C, 10–24 h). L'indurimento viene rimosso mediante ricottura di ricristallizzazione a 250-350 "C, durante la quale diminuisce anche l'anisotropia delle proprietà meccaniche che si è verificata durante la deformazione plastica.

Le leghe di magnesio, a seconda della composizione, possono essere indurite mediante tempra (spesso con raffreddamento in aria) e successivo invecchiamento a 150-200°C (modalità Tb). Un certo numero di leghe sono indurite già durante il processo di raffreddamento di getti o forgiati e possono essere immediatamente indurite mediante invecchiamento artificiale (indurimento di bypass). Ma nella maggior parte dei casi si limitano solo all'omogeneizzazione (tempra) a 380–540 °C (modalità T4), poiché il successivo invecchiamento, aumentando la resistenza del 20–35%, porta a una diminuzione della duttilità delle leghe. Leghe fuse.

Nelle leghe di magnesio fuso, un aumento delle proprietà meccaniche si ottiene macinando il grano surriscaldando il fuso o modificandolo con additivi a base di gesso o magnesite.

In questo caso, nel fuso si formano particelle solide che diventano centri di cristallizzazione. Per impedire l'accensione delle leghe di magnesio, vengono fuse in crogioli di ferro sotto uno strato di flusso e versate in vapori di anidride solforosa formati quando lo zolfo viene introdotto nel flusso metallico. Durante la fusione in stampi di sabbia, vengono introdotti nella miscela additivi speciali (fluoruri di alluminio) per ridurre l'ossidazione del magnesio. Tra le leghe di magnesio fuso, sono ampiamente utilizzate le leghe ML5 e ML6, che si distinguono per le maggiori proprietà meccaniche e di colata. Possono essere induriti sia per omogeneizzazione e tempra in aria (T4) che per ulteriore invecchiamento (T6).

leghe lavorate.

Il magnesio deformato (pressato) ha un insieme più elevato di proprietà meccaniche rispetto al magnesio fuso.

Le leghe lavorate sono prodotte sotto forma di pezzi fucinati, grezzi, nastri laminati a caldo, barre e profili. Gli intervalli di temperatura dei processi tecnologici di trattamento a pressione delle leghe di magnesio rientrano nei seguenti limiti: stampaggio a 300-480 °C, laminazione a 440-225 °C e stampaggio (in stampi chiusi) a 480-280 °C. Buona resistenza alla corrosione, saldabilità e duttilità tecnologica si distinguono per la lega MA1, che appartiene al gruppo delle leghe a bassa resistenza.

La lega MA2-1 combina un insieme ottimale di proprietà meccaniche e tecnologiche (ben saldata, stampata), ma è soggetta a corrosione sotto sforzo. Resistente al calore (fino a 250 °C) è una lega del sistema (Md-Zn-Zr) MA14. La lega viene indurita mediante invecchiamento artificiale (modalità T5) dopo pressatura e raffreddamento in aria. È caratterizzato da maggiori proprietà meccaniche, ma è soggetto alla formazione di cricche calde durante la laminazione.

L'uso di leghe di magnesio. Le leghe di magnesio sono utilizzate per realizzare corpi di razzi, pompe, strumenti, serbatoi di carburante e ossigeno, telai di motori, involucri. Pertanto, le leghe ML5 e ML6 vengono utilizzate per la fusione di tamburi dei freni, volanti, scatole del cambio, ML10 - parti di dispositivi ad alta tenuta.

Raccordi, sistemi a benzina e olio, nonché parti saldate sono realizzati in leghe lavorate MA1, parti altamente caricate - da MA14.

47. Titanio e sue leghe

Il titanio e le leghe a base di esso hanno un'elevata resistenza alla corrosione e resistenza specifica. Svantaggi del titanio: la sua interazione attiva con i gas atmosferici, la tendenza all'infragilimento da idrogeno.

Azoto, carbonio, ossigeno e idrogeno, rafforzando il titanio, ne riducono la duttilità, la resistenza alla corrosione e la saldabilità. Il titanio è mal lavorato al taglio, in modo soddisfacente a pressione, saldato in atmosfera protettiva. La colata sottovuoto si è diffusa, inclusa la rifusione ad arco sottovuoto con un elettrodo consumabile.

Modifiche allotropiche del titanio: a bassa temperatura e ad alta temperatura.

Esistono due gruppi principali di elementi di lega a seconda del loro effetto sulla temperatura di trasformazione polimorfica del titanio (882,5 ° C): stabilizzatori b (elementi che espandono la regione di esistenza della fase b e aumentano la temperatura di trasformazione - A1, Oa, C) e c- stabilizzatori (elementi che restringono la regione b e riducono la temperatura della trasformazione polimorfica - V, Mo, Cr).

Gli elementi di lega sono divisi in due gruppi principali: elementi con solubilità grande (nel limite - illimitata) e limitata in titanio. Elementi con limitata solubilità, insieme al titanio, possono formare composti intermetallici, siliciuri e fasi interstiziali.

Gli elementi di lega influenzano le proprietà operative del titanio (Fe, Al, Mn, Cr), ne aumentano la resistenza, ma riducono l'elasticità e la tenacità; Al, Zr aumentano la resistenza al calore e Mo, Zr, Ta - resistenza alla corrosione.

Classificazione delle leghe di titanio. La struttura delle leghe di titanio industriali è costituita da soluzioni solide di elementi di lega nelle modifiche b e b del titanio.

Tipi di trattamento termico delle leghe di titanio.

Ricottura di ricristallizzazione (semplice) di leghe formate a freddo (650-850 °C).

Ricottura isotermica (riscaldamento a 780-980 °C seguito da raffreddamento in forno a 530-680 °C, mantenimento a questa temperatura e raffreddamento in aria), fornendo elevata duttilità e stabilità termica delle leghe.

Ricottura a doppio gradino (differisce dall'isotermico in quanto il passaggio dal primo stadio al secondo avviene raffreddando la lega in aria, seguito da un successivo riscaldamento alla temperatura del secondo stadio), che porta al rafforzamento della lega e ad un diminuzione della plasticità dovuta al parziale verificarsi di processi di indurimento e invecchiamento.

Ricottura parziale a 500-680 °C per alleviare le tensioni residue che si creano durante la lavorazione.

Trattamento termico di indurimento. La maggior parte delle leghe di titanio sono in lega di alluminio, che aumenta la rigidità, la resistenza, la resistenza al calore e la resistenza al calore del materiale e ne riduce anche la densità.

Le leghe α-titanio non vengono indurite mediante trattamento termico; il loro indurimento è ottenuto mediante lega in soluzione solida e deformazione plastica.

(α + β) - le leghe di titanio sono caratterizzate da una struttura mista e sono indurite mediante trattamento termico, costituito da tempra e invecchiamento.

Le leghe pseudo-β-titanio sono caratterizzate da un elevato contenuto di β-stabilizzanti e dalla conseguente assenza di trasformazione martensitica. Le leghe sono caratterizzate da elevata duttilità allo stato temprato ed elevata resistenza allo stato invecchiato; sono saldati in modo soddisfacente mediante saldatura ad arco di argon.

Leghe di titanio fuse. Rispetto alle leghe lavorate, le leghe fuse hanno una resistenza, duttilità e resistenza inferiori, ma sono più economiche. La complessità della fusione delle leghe di titanio è dovuta all'interazione attiva del titanio con gas e materiali di stampaggio. Le leghe da colata VT5L, VT14L e VTZ-1L sostanzialmente coincidono nella composizione con leghe lavorate simili (allo stesso tempo, la lega VT14L contiene inoltre ferro e cromo).

La lega VT5L ha elevate proprietà tecnologiche: è duttile, non soggetta a fessurazioni durante la colata e salda bene. I getti sagomati in lega VT5L funzionano a temperature fino a 400 °C. Lo svantaggio della lega è la sua bassa resistenza (800 MPa). la lega di colata bifase VT14L viene ricotta a 850°C invece del trattamento termico di indurimento, che riduce drasticamente la plasticità dei getti.

Leghe di titanio in polvere. L'utilizzo di metodi di metallurgia delle polveri per la produzione di leghe di titanio consente, con le stesse proprietà operative di un materiale colato o deformabile, di ottenere una riduzione fino al 50% dei costi e dei tempi di realizzazione dei prodotti. La lega in polvere di titanio VT6 ottenuta per pressatura isostatica a caldo (HIP) ha le stesse proprietà meccaniche della lega per lavorazione dopo ricottura. Alla lega lavorata temprata e invecchiata VT6, la lega in polvere ha una resistenza inferiore, ma superiore in duttilità.

L'uso delle leghe di titanio: placcatura di aerei, navi, sottomarini; proiettili di missili e motori; dischi e pale di turbine fisse e compressori di motori aeronautici; eliche; bombole per gas liquefatti; contenitori per ambienti chimici aggressivi, ecc.

48. Tipi di materiali compositi. Struttura, proprietà, applicazioni

I materiali compositi sono costituiti da due componenti combinati in vari modi in un monolite pur mantenendo le loro caratteristiche individuali.

Caratteristiche del materiale:

- la composizione, la forma e la distribuzione dei componenti sono predeterminate;

- sono costituiti da due componenti e di più diversa composizione chimica, separati da un confine;

- ha proprietà diverse dalle proprietà dei componenti presi separatamente;

- omogeneo alla macroscala ed eterogeneo alla microscala;

- non si verifica in natura, artificiale.

I componenti del materiale sono diversi geometricamente. Una matrice è un componente che ha continuità in tutto il suo volume. Il riempitivo è un componente discontinuo e rinforzante.

Nei materiali compositi si utilizzano come matrici metalli e loro leghe, polimeri organici e inorganici e materiali ceramici. Le proprietà dipendono dalle proprietà fisico-chimiche dei componenti e dalla forza del legame tra di loro. I componenti per un materiale composito vengono selezionati con proprietà diverse l'una dall'altra. Tali materiali hanno un'elevata rigidità specifica e resistenza specifica.

I comuni materiali compositi con riempitivi a dimensione zero sono una matrice metallica in metallo o lega. I materiali compositi con una distribuzione uniforme delle particelle di indurente si distinguono per le proprietà isotropiche. Le composizioni rinforzate con particelle disperse sono ottenute con metodi di metallurgia delle polveri.

I materiali compositi a matrice di alluminio a base di alluminio sono rinforzati da particelle A1203, ottenute per pressatura di polvere di alluminio con successiva sinterizzazione (SAP).

Le leghe SAP sono deformate in modo soddisfacente allo stato caldo e anche le leghe SAP-1 sono deformate allo stato freddo. Il SAP viene facilmente lavorato mediante taglio, saldato in modo soddisfacente mediante arco di argon e saldatura a resistenza. I prodotti semilavorati sono prodotti da SAP sotto forma di fogli, profili, tubi, fogli.

Materiali compositi a matrice di nichel.

Il componente indurente è costituito da particelle tossiche di biossido di torio (TI02) o biossido di afnio (Hf02). Questi materiali sono designati rispettivamente VDU-1 e VDU-2. I materiali compositi VDU-1 e VDU-2 sono plastica, deformata in un ampio intervallo di temperature con vari metodi (forgiatura, stampaggio, ricalcatura, imbutitura). Per unire parti in leghe del tipo VDU, viene utilizzata la saldatura ad alta temperatura o la saldatura a diffusione per prevenire la fusione. Le leghe VDU-2 sono utilizzate nella costruzione di motori aeronautici.

I materiali compositi con riempitivi unidimensionali sono rinforzati mediante elementi unidimensionali sotto forma di baffi, fibre (fili).

Le fibre sono tenute insieme da una matrice in un unico monolite. La matrice serve a proteggere la fibra di rinforzo dai danni, è un mezzo che trasferisce il carico alle fibre e ridistribuisce le sollecitazioni in caso di rottura delle singole fibre.

Materiali compositi su matrice di nichel

Le leghe di nichel resistenti al calore sono sottoposte a rinforzo per aumentarne il tempo di funzionamento e la temperatura di esercizio fino a 1100-1200 °C. Per rinforzare le leghe di nichel vengono utilizzati indurenti: baffi, fili di metalli e leghe refrattari, fibre di carbonio e carburo di silicio.

Materiali compositi eutettici - leghe di composizione eutettica. In essi, la fase di rafforzamento è costituita da cristalli orientati, che si formano durante la cristallizzazione direzionale.

I metodi di cristallizzazione diretta producono materiali compositi a base di Al, Md, Cu, Co, Tc

Materiali compositi eutettici a base di alluminio

Con il metodo della cristallizzazione direzionale si ottengono le composizioni Al-A^M e Al-CuAl1. La composizione è caratterizzata da un'elevata stabilità strutturale fino alle temperature di fusione.

I materiali compositi eutettici a base di nichel sono materiali resistenti al calore utilizzati nella tecnologia spaziale e missilistica. Le composizioni lamellari contenenti una frazione in volume della fase di indurimento superiore al 33-35% sono fragili. Le composizioni plastiche includono composizioni a base di nichel con una frazione in volume di fibre del 3-15% da carburi di tantalio, niobio e afnio.

Materiali compositi su base non metallica.

Come matrice vengono utilizzate resine epossidiche, poliestere e fenoliche polimerizzate.

I compositi rinforzati con lo stesso tipo di fibre sono chiamati fibra di rinforzo. Una composizione contenente un riempitivo sotto forma di lunghe fibre di vetro disposte in singoli filamenti orientati è chiamata fibra di vetro orientata.

Il riempitivo di fibra di vetro non orientata è una fibra corta. Se il materiale di rinforzo è in fibra di vetro, il materiale è chiamato fibra di vetro. Un materiale composito contenente fibra di carbonio è chiamato fibra di carbonio, la fibra di boro è chiamata fibra di boro e la fibra organica è chiamata fibra organica. Vantaggi dei materiali compositi a matrice polimerica: elevata resistenza specifica ed elevate caratteristiche elastiche; resistenza agli ambienti aggressivi; buone proprietà antiattrito e di attrito insieme ad elevate proprietà di schermatura termica e assorbimento degli urti.

49. Composizione chimica, metodi per ottenere polveri, proprietà e metodi per il loro controllo

Materiali in polvere - materiali ottenuti pressando polveri metalliche in prodotti della forma e dimensione richieste e successiva sinterizzazione dei prodotti stampati sotto vuoto o atmosfera protettiva.

Le leghe in polvere antifrizione hanno un basso coefficiente di attrito, sono facili da lavorare e hanno una buona resistenza all'usura.

Le leghe a base di materiali non ferrosi sono utilizzate nella costruzione di strumenti e nell'ingegneria elettronica. I materiali in polvere vengono utilizzati nella produzione di parti che hanno una forma simmetrica semplice, una massa e una dimensione ridotte.

La metallurgia delle polveri è una branca della tecnologia che si occupa della produzione di polveri metalliche e parti da esse. Le billette vengono pressate da polvere metallica, che viene sottoposta a trattamento termico - sinterizzazione. Le polveri metalliche sono: ferro, rame, nichel, cromo, cobalto, tungsteno, molibdeno, titanio. Esistono due modi per ottenere le polveri: meccanico e fisico-chimico.

Il più comune è il metodo di macinazione meccanica della materia prima (trucioli, sfridi). I mulini meccanici sono utilizzati per la macinazione. La rettifica meccanica ha i suoi svantaggi. Questi includono l'alto costo delle polveri, che include il costo di produzione dei metalli fusi e delle leghe originali, e la produttività relativamente bassa del processo.

Metodi fisico-chimici per l'ottenimento delle polveri: riduzione di ossidi, precipitazione di polvere metallica da una soluzione salina acquosa. La produzione di polvere è associata a un cambiamento nella composizione chimica della materia prima. I metodi fisico-chimici per ottenere le polveri sono più versatili di quelli meccanici. A causa dell'uso di materie prime economiche, i metodi fisico-chimici sono economici.

La composizione chimica delle polveri è determinata dal contenuto del metallo di base o del componente e dalle impurità. Le proprietà fisiche delle polveri sono determinate dalle dimensioni e dalla forma delle particelle, dalla microdurezza, dalla densità e dalla creazione di un reticolo cristallino. Le proprietà tecnologiche sono caratterizzate da fluidità, comprimibilità e agglomerazione della polvere.

Fluidità: la capacità di una polvere di riempire uno stampo. La fluidità è di grande importanza nella pressatura automatica, dove le prestazioni della pressa sono influenzate dalla velocità di riempimento dello stampo. La bassa fluidità influisce sulla disomogeneità della densità dei pezzi.

La comprimibilità si riferisce alla capacità di una polvere di compattarsi sotto l'azione di un carico esterno e alla forza di adesione delle particelle per effetto della pressatura. La comprimibilità della polvere è influenzata dalla plasticità del materiale delle particelle, dalla loro dimensione e forma. Aumenta con l'introduzione di tensioattivi nella composizione della polvere.

I materiali strutturali utilizzati per la produzione di pezzi grezzi e pezzi finiti sono ottenuti utilizzando metodi di metallurgia delle polveri. I materiali compositi con speciali proprietà fisiche, meccaniche e prestazionali sono ampiamente utilizzati nell'industria.

I materiali sinterizzati antifrizione vengono utilizzati per la produzione di cuscinetti a strisciamento. Nei materiali antifrizione, la componente solida è la base metallica e la componente morbida sono i pori riempiti di olio o plastica.

I materiali compositi ad attrito sono composizioni complesse a base di rame o ferro. La grafite o il piombo aiutano a ridurre l'usura della composizione. I materiali di attrito sono usati come elementi bimetallici, costituiti da uno strato di attrito, che viene sinterizzato sotto pressione con la base (disco).

Per la produzione di filtri vengono utilizzati materiali altamente porosi. I filtri possono essere realizzati con polveri di acciaio resistente alla corrosione, alluminio, titanio.

I materiali metallici altamente porosi sono prodotti mediante sinterizzazione delle polveri senza pre-pressatura. Per rilasciare gas durante il processo di sinterizzazione, alle polveri vengono aggiunte sostanze speciali.

Le leghe metallo-ceramiche hanno un'elevata durezza, resistenza al calore e resistenza all'usura. Sono utilizzati per la produzione di utensili da taglio e perforazione e vengono applicati anche sulla superficie delle parti soggette a usura.

La metallurgia delle polveri produce materiali in metallo diamante. Le polveri metalliche (rame, nichel) vengono utilizzate come leganti.

Nella moderna tecnologia dei materiali compositi, i materiali fibrosi sono ampiamente utilizzati. Per ottenerli vengono utilizzati fili di tungsteno, molibdeno, boro, grafite, a seconda delle proprietà richieste del materiale che si sta creando. La metallurgia delle fibre è una branca della metallurgia delle polveri specializzata nella risoluzione dei problemi di ricerca e creazione di materiali fibrosi.

Il processo di preparazione della miscela comprende la ricottura preliminare, la selezione delle polveri per granulometria (setacciatura) e la miscelazione.

50. Formatura e sinterizzazione di polveri, campi di applicazione

L'agglomerazione è la forza di adesione delle particelle come risultato del trattamento termico dei grezzi pressati.

Le polveri preparate vengono mescolate in mulini a sfere ea tamburo. Gli sbozzati da polveri metalliche sono formati mediante pressatura (fredda, calda, idrostatica) e laminazione. A seconda delle dimensioni e della complessità dei grezzi pressati, viene utilizzata la pressatura su un lato e su due lati. Un lato riceve grezzi di forma semplice e grezzi come boccole. Mediante la pressatura su entrambi i lati, viene eseguita la sagomatura di pezzi di forma complessa.

Durante lo stampaggio a caldo, i processi di sagomatura e sinterizzazione del pezzo vengono tecnologicamente combinati. Dalla pressatura a caldo si ottengono materiali caratterizzati da elevata resistenza, densità e uniformità di struttura. La grafite è il miglior materiale per la realizzazione di stampi.

La pressatura idrostatica viene utilizzata per ottenere grezzi di cermet. Come fluido di lavoro vengono utilizzati olio, acqua, glicerina.

L'estrusione produce barre, tubi e profili di varie sezioni. Il profilo del manufatto dipende dalla forma del foro calibrato dello stampo. Come attrezzature vengono utilizzate presse meccaniche e idrauliche.

La laminazione è uno dei metodi più produttivi e promettenti utilizzati per la lavorazione dei materiali in polvere. In alcuni casi, il processo di laminazione è combinato con la sinterizzazione e la lavorazione finale dei pezzi risultanti.

La sinterizzazione viene eseguita per aumentare la resistenza dei pezzi precedentemente ottenuti mediante pressatura o rullatura. Nei pezzi stampati, le singole particelle hanno una piccola percentuale di contatto, pertanto la sinterizzazione è accompagnata da un aumento dei contatti tra le singole particelle di polvere. A seconda del tempo e della temperatura di sinterizzazione, si verifica un aumento della forza e della densità a seguito dell'attivazione del processo di formazione delle superfici di contatto. Se i parametri tecnologici vengono superati, ciò può portare a una diminuzione della forza a causa della crescita dei grani di cristallizzazione.

I requisiti sono imposti all'atmosfera di sinterizzazione: condizioni non ossidanti per il riscaldamento delle billette.

I pezzi dopo il processo di sinterizzazione vengono sottoposti a lavorazioni aggiuntive al fine di migliorarne le proprietà fisiche e meccaniche, ottenere le dimensioni e la forma finali, applicare rivestimenti decorativi e proteggere la superficie del pezzo dalla corrosione.

Per migliorare le proprietà fisiche e meccaniche dei grezzi sinterizzati, vengono utilizzate pressature e sinterizzazioni ripetute, impregnazione con lubrificanti, trattamento termico o chimico-termico.

La pressatura e la sinterizzazione ripetute producono parti di densità maggiore. I materiali sinterizzati possono essere forgiati, laminati, stampati a temperature elevate. Il trattamento a pressione riduce la porosità dei materiali e ne aumenta la plasticità.

I materiali in metallo in polvere sono materiali sinterizzati realizzati utilizzando il metodo di dosaggio, formatura e sinterizzazione delle polveri. Questi materiali includono leghe dure, compositi rinforzati per dispersione, materiali anti-attrito e anti-attrito, acciai in polvere, metalli non ferrosi sinterizzati, materiali metallici porosi.

Per ottenere parti sinterizzate dall'acciaio in polvere, vengono utilizzate miscele di polveri di ferro e leghe, nonché polveri di acciaio al carbonio e legato. Metodi per ottenere acciai in polvere: stampaggio a freddo e sinterizzazione; doppia pressatura e sinterizzazione; pressatura a caldo; stampa a caldo. Il trattamento termico degli acciai in polvere viene effettuato in speciali ambienti protettivi. Per prevenire il processo di ossidazione, viene utilizzato olio o acqua per raffreddare gli acciai. Gli acciai in polvere hanno un elemento strutturale caratteristico: i pori. Maggiore è la porosità del materiale, minore è la densità, la resistenza e la tenacità dell'acciaio. Tuttavia, molte caratteristiche dei materiali non dipendono in modo monotono dalla porosità. Pertanto, la resistenza alla rottura e la resistenza all'urto del ferro in polvere varia in modo non monotono a seconda della porosità.

I materiali antifrizione sinterizzati in polvere preparati utilizzando fili di rame e acciaio si sono diffusi nella moderna ingegneria meccanica. Per la preparazione di materiali più durevoli e di alta qualità vengono utilizzati additivi speciali: fluoruro di calcio, grafite, nitruro di boro turbostratico. Di conseguenza, dopo il processo di sinterizzazione si forma una struttura porosa. I canali dei pori di questa struttura possono trattenere particelle di olio e altri lubrificanti liquidi. I materiali con struttura porosa sono i più adatti per sostituire le leghe antifrizione in bronzo e metallo babbit, che sono piuttosto costosi da utilizzare.

Nella metallurgia delle polveri si producono ceramiche minerali ottenute utilizzando ferro, cobalto e altri metalli refrattari. I prodotti al berillio sono anche fabbricati dalla metallurgia delle polveri. Processo di fabbricazione: stampaggio e sinterizzazione, deformazione plastica a caldo.

51. Vetri inorganici. Ceramica tecnica

Vetro inorganico - materiali isotropici amorfi chimicamente complessi che hanno le proprietà di un solido fragile.

Gli occhiali sono:

1. Matrici di vetro - base:

a) Si0₂ - vetro silicato, se Si02 > 99%, allora è vetro al quarzo;

b) AI₂O₃ +Si0₂ - vetro alluminosilicato;

c) B₂0₃ +Si0₂ - vetro borosilicato;

d) AI₂0₃ +B₂0₃ +Si0₂ - vetro alluminoborosilicato;

2. Vengono introdotti modificatori per conferire al vetro determinate proprietà. L'introduzione di ossidi di metalli alcalino terrosi (I, II gruppo: Na, K) riduce il punto di rammollimento. Gli ossidi di cromo, ferro, vanadio conferiscono al vetro determinati colori. Gli ossidi di piombo aumentano l'indice di rifrazione. A seconda del numero di modificatori, il vetro può essere: alcalino con modificatori fino al 20-30%, privo di alcali - fino al 5% di modificatori, vetro al quarzo - senza modificatori;

3. Compensatori, sopprimono l'impatto negativo dei modificatori. Vetri in auto, fibra di vetro, ottica, bassa conducibilità termica, insolubili in acidi e alcali.

Proprietà del vetro: i vetri sono caratterizzati da elevata durezza e resistenza alla trazione. Teoricamente, la resistenza alla trazione raggiunge i 10-12 GPa. Modulo elastico E = 70 GPa. Durezza Vickers HV ~ 750 kgf/mm2. In pratica, la resistenza alla trazione è di 50-100 MPa. Basso aB è spiegato da fattori: alto coefficiente di espansione lineare. Quando il vetro si raffredda, sulla sua superficie si formano sollecitazioni di trazione che portano alla comparsa di crepe. Il vetro è un buon isolante termico, che porta anche a crepe. Il vetro non resiste ai carichi dinamici.

Metodi di tempra del vetro:

1) decapaggio per rimuovere lo strato superficiale difettoso. La resistenza alla trazione aumenta a 3000 MPa. Un metodo inefficiente, poiché in futuro il vetro interagisce con particelle abrasive o materiali solidi;

2) creazione di sollecitazioni di compressione sulla superficie. Per fare ciò, viene eseguito l'indurimento, il riscaldamento viene eseguito a una certa temperatura, quindi viene raffreddato in una determinata modalità (temperatura di riscaldamento, tempo di raffreddamento e di mantenimento). La resistenza alla trazione aumenta a 1000-1500 MPa;

3) applicazione di materiali polimerici alla superficie del vetro. Il legante polimerico incolla le microfessure sulla superficie del vetro.

Il vetro al quarzo ha un'elevata permeabilità ai gas (elio, idrogeno, neon) rispetto ad altri vetri ai silicati, che, oltre al biossido di silicio, contengono ossidi di metalli alcalini e alcalino terrosi.

Due sono i parametri che uniscono la struttura dei vetri a doppio fosfato con la struttura dei vetri a doppio silicato: l'unità strutturale di base è costituita dai gruppi elemento tetraedrico-ossigeno; l'aggiunta di ossidi modificanti aumenta il numero di atomi di ossigeno non ponte.

L'indurimento e la fusione del vetro avvengono gradualmente entro un certo intervallo di temperatura. Pertanto, non esiste un punto di solidificazione o fusione specifico. Nel processo di raffreddamento, il fuso passa dallo stato liquido a quello plastico e, successivamente, a quello solido (processo di transizione vetrosa).

I vetri organici sono polimeri organici: poliacrilati, policarbonati, polistirene, copolimeri di cloruro di vinile con metilmetacrilato, che si trovano in uno stato vetroso. I vetri a base di polimetilmetacrilato hanno trovato la massima applicazione pratica. Secondo la loro tecnologia, meccanismo di indurimento e struttura, i vetri organici differiscono da quelli inorganici.

I vetri elementari sono in grado di formare un piccolo numero di elementi: zolfo, selenio, arsenico, fosforo, carbonio.

I vetri agli alogenuri sono prodotti sulla base del componente per la formazione del vetro BeF2. Le composizioni multicomponenti dei vetri al fluoroberillato includono fluoruri di alluminio, calcio, magnesio, stronzio e bario. I vetri al fluoroberillato sono ampiamente utilizzati nella pratica grazie alla loro elevata resistenza alle radiazioni forti, inclusi i raggi X, e ai mezzi aggressivi come il fluoro e l'acido fluoridrico.

I metodi per ottenere vetri mediante evaporazione sotto vuoto, condensazione dalla fase vapore e spruzzatura al plasma stanno acquisendo importanza industriale. In questi casi, il vetro può essere ottenuto dalla fase gassosa, bypassando lo stato fuso.

Ceramica - un materiale inorganico ottenuto modellando masse nel processo di cottura ad alta temperatura. Le ceramiche di ossido hanno un'elevata resistenza alla compressione rispetto alla resistenza alla trazione o alla flessione. Le strutture a grana fine sono più durevoli. Con l'aumento della temperatura, la resistenza della ceramica diminuisce. Le ceramiche di ossido puro non sono soggette al processo di ossidazione.

Ceramica senza ossigeno. I materiali sono molto fragili. La resistenza all'ossidazione ad alte temperature di carburi e boruri è di 900-1000 °C, per i nitruri è inferiore. I siliciuri resistono a temperature di 1300-1700 °C. A tali temperature si forma sulla superficie un film di silice.

52. Polimeri, plastica

I polimeri sono sostanze le cui macromolecole sono costituite da numerose unità elementari ripetute che rappresentano lo stesso gruppo di atomi. Il peso molecolare delle molecole varia da 500 a 1000000.

Nelle molecole polimeriche si distingue una catena principale, che è costituita da un gran numero di atomi. Le catene laterali sono più corte.

I polimeri la cui catena principale contiene gli stessi atomi sono chiamati omocatena, e se gli atomi di carbonio sono catena di carbonio. I polimeri contenenti diversi atomi nella catena principale sono chiamati eterocatena.

Le macromolecole polimeriche sono classificate in base alla loro forma in lineari, ramificate, piatte, a nastro, spaziali o reticolari.

Le macromolecole polimeriche lineari sono lunghe catene a zig-zag e ritorte, che sono intrinsecamente flessibili, limitate a sezioni rigide - segmenti costituiti da più maglie. Tali macromolecole hanno un'elevata resistenza lungo la catena principale, sono debolmente interconnesse e forniscono un'elevata elasticità del materiale. Il riscaldamento provoca l'ammorbidimento e il successivo raffreddamento provoca l'indurimento del polimero (poliammide, polietilene).

Una macromolecola ramificata contiene rami laterali e questo rende difficile l'avvicinamento delle macromolecole e riduce l'interazione intermolecolare. I polimeri con questa forma sono caratterizzati da resistenza ridotta, maggiore fusibilità e friabilità. Le forme reticolate di macromolecole sono caratteristiche di polimeri più durevoli, insolubili e infusibili che tendono a rigonfiarsi nei solventi e ad ammorbidirsi quando riscaldati.

Le macromolecole polimeriche sono flessibili.

Le materie plastiche (plastica) sono materiali organici a base di polimeri che sono in grado di ammorbidirsi quando riscaldati e sotto pressione per assumere una certa forma stabile. La plastica semplice è composta da soli polimeri chimici. Le plastiche complesse includono additivi: riempitivi, plastificanti, coloranti, indurenti, catalizzatori.

I riempitivi vengono introdotti nella plastica in una quantità del 40-70% per aumentare la durezza, la resistenza, la rigidità e conferire speciali proprietà specifiche. I riempitivi possono essere tessuti e sostanze polverose e fibrose.

I plastificanti (stearina, acido oleico) aiutano ad aumentare l'elasticità, la plasticità e facilitano la lavorazione della plastica.

Indurenti (ammine) e catalizzatori (composti di perossido) vengono aggiunti alla plastica per l'indurimento.

I coloranti (pigmenti minerali, soluzioni alcoliche di vernici organiche) conferiscono alla plastica un determinato colore e ne riducono i costi. La composizione dei componenti, la loro combinazione e il rapporto quantitativo consentono di modificare le proprietà della plastica su un'ampia gamma. Le materie plastiche sono classificate in base alle caratteristiche.

Per tipo di riempitivo: con riempitivo solido; con carica gassosa.

Secondo la reazione del polimero legante al riscaldamento ripetuto. Le plastiche termoplastiche a base di un polimero termoplastico si ammorbidiscono quando vengono riscaldate e si induriscono al successivo raffreddamento (polimeri puri o composizioni polimeriche con plastificanti, antiossidanti).

I termoplastici sono caratterizzati da un basso ritiro dell'1-3%. Sono caratterizzati da bassa fragilità, elevata elasticità e capacità di orientamento.

Le materie plastiche termoindurenti a base di polimeri termoindurenti (resine) dopo il trattamento termico - indurimento - entrano in uno stato termostabile e sono fragili, hanno un grande restringimento del 10-15% e contengono riempitivi nella loro composizione.

Per applicazione, sono divisi in gruppi: strutturali - per parti e strutture di potenza, per parti non di potenza; guarnizioni, tenuta; attrito e antifrizione; isolante elettricamente, termoisolante radiotrasparente; resistente al fuoco, oli, acidi; fronte e decorativo.

Il polietilene può essere utilizzato a lungo a 60-100 °C. La resistenza al gelo raggiunge i -70 ° C e inferiori. Chimicamente resistente e insolubile nei solventi, viene utilizzato per isolare le guaine protettive di cavi, fili, parti di impianti ad alta frequenza e la fabbricazione di parti resistenti alla corrosione - tubi, guarnizioni, tubi flessibili. È prodotto sotto forma di film, fogli, tubi, blocchi. Il polietilene è soggetto ad invecchiamento.

Il polistirene è un polimero amorfo, solido, trasparente, che presenta una struttura lineare, elevate proprietà dielettriche, soddisfacente resistenza meccanica, bassa temperatura di esercizio (fino a 100 °C), resistenza chimica agli alcali, agli acidi minerali e organici, agli oli. Si gonfia in acido nitrico al 65%, acido acetico glaciale, benzina e cherosene. A temperature superiori a 200 °C si decompone formando stirene. Il polistirene viene utilizzato per la produzione di parti leggermente caricate e isolanti ad alta frequenza. Svantaggi: fragilità a basse temperature, tendenza alla graduale formazione di crepe superficiali.

Le materie plastiche sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria meccanica e nella costruzione di strumenti per la produzione di parti. Le materie plastiche per scopi elettrici sono utilizzate come materiali isolanti elettrici nelle strutture delle macchine.

Autore: Buslaeva E.M.

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Lumileds ha annunciato array di LED chip-on-board con flusso luminoso fino a 6000 lm.
Sottolineando che una caratteristica delle matrici è la piccola dimensione dell'area di radiazione, l'azienda ha presentato versioni con emettitori con un diametro di 9, 13, 15 mm.

Le matrici, denominate Luxeon CoB, hanno una temperatura di colore nominale di 3000 K, un'efficienza di 105 lm/W e un indice di resa cromatica maggiore di 80, con una caduta di tensione diretta nominale di 36 V.

Ci sono quattro opzioni per le matrici: con un flusso luminoso di 1150 lm (9 mm), 1725 lm (13 mm), 2300 lm (13 mm) e 3450 lm (15 mm) con un assorbimento di corrente di 300, 450, 600 e 900 mA, rispettivamente. Le matrici sono assemblate su circuiti stampati con base metallica (MCPCB). Hanno superato i test ad alta temperatura e i loro parametri sono normalizzati ad una temperatura di 85°C.

Dovrebbero essere utilizzati in faretti, downlight e in sostituzione di lampade a incandescenza direzionali (es. PAR/AR111).

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