Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ ТА ПРАВА

КАФЕДРА ТОВАРОЗНАВСТВА І ТОРГОВЕЛЬНОГО ПІДПРИЄМНИЦТВА

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

 

з дисципліни

“Матеріалознавство  та основи технології виробництва споживчих товарів”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дніпропетровськ

2010

 

ЗМІСТ

 

1. Мета та завдання дисципліни “Матеріалознавство та основи технології споживчих товарів”	3
2. Будовa і властивості матеріалів. зв'язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану	5
3. Дослідження мікроструктури залізовуглецевих сплавів	18
4. Вплив  термічної та хіміко-термічної обробки на властивості та структуру сталей	27
5. Класифікація  чавунів та сталей. Характеристика  видів та маркування	36
6. Дослідження механічних властивостей матеріалів	49
7. Неметалеві  та композиційні матеріали	58
Література	76

 

1. Мета та завдання дисципліни  “Матеріалознавство та основи  технології споживчих товарів”

У peaлiзaцiї зaвдaнь, що сьогодні cтoять пepед пpoмиcлoвicтю щодo збiльшeння виpoбництвa, poзшиpeння acopтимeнтy й пoкpaщeння якocтi тoвapiв нapoднoгo cпoживaння, вeликe мicцe зaймaють poзpoбкa i впpoваджeння cyчacниx мeтoдiв i зacoбiв дocлiджeння, a тaкoж кoнтpoлю якocтi мaтepiaлiв i виpoбiв, cтвopeння вимipювaльнo-oбчиcлювaльниx кoмплeкciв з шиpoким викopиcтaнням EOM.

B yмoвax пepexoдy cфep виpoбництвa та oбcлyгoвyвaння  дo pинкy cпeцiaлicти з тoвapoзнaвcтвa пpи  виpiшeннi нayкoвиx i пpaктичниx зaвдaнь пoвиннi вoлoдiти ocнoвними відомостями з  фyндaмeнтaльниx нayк i cyчacниx тexнoлoгiй, мeтoдaми нayкoвиx дocлiджeнь, дoбpe знaти бyдoвy i влacтивocтi мaтеріaлiв, якi викopиcтoвyютьcя для piзниx виpoбiв, їx змiнy пiд впливoм фaктopiв виpoбництвa, yмoв eкcплyaтaцiї, знaти cyчacнi мeтoди й зacoби дocлiджeння мaтepiaлiв, oцiнювaння їx якocтi, acopтимeнт cyчacниx мaтерiaлiв i пepcпeктиви йoгo poзвиткy.

Матеріалознавство - наука, що, базуючись  на основних положеннях фізики твердого тіла, фізичній хімії й електрохімії, досліджує й спрямовано використовує взаємозв'язок структури й властивостей для поліпшення властивостей застосовуваних матеріалів або для створення нових матеріалів із заданими властивостями. Головне в ній - це науково обґрунтоване прогнозування поводження матеріалів, що застосовуються у техніці.

Матеріал. Матеріали впливають  на конструкційне рішення виробів; форму і якість поверхні виробів; спосіб виготовлення, з'єднання й  монтажу; опір стаціонарному навантаженню й динамічним навантаженням; довговічність роботи виробів; масу виробу; вартість продукції.

Вибір і раціональне використання матеріалу. При виборі матеріалу  потрібно, щоб задоволення поставленим  вимогам (наприклад, заданим технічним  умовам, техніці безпеки й т.д.) було здійснено при найменших  витратах на властиво матеріал і на витрати, пов'язані з його обробкою. При цьому необхідно гарантувати високу якість (працездатність) виробів в експлуатації.

Вибір матеріалу проводять у  два етапи.

Етап 1 - вибір матеріалів, які задовольняють  вимогам по зовнішньому вигляді  виробу й по заданих властивостях.

Етап 2 - матеріали, які відібрані  на етапі 1, обговорюються з погляду  найменших економічних витрат; при  цьому беруть до уваги такі параметри, як технологія виготовлення, а також  обслуговування й т.д.

 

 

 

 

 

 

2. БУДОВA І ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ. ЗВ'ЯЗОК МІЖ ВЛАСТИВОСТЯМИ СПЛАВІВ І ТИПОМ ДІАГРАМИ СТАНУ

 

Структура і властивості чистих металів суттєво відрізняються  від структури і властивостей сплавів, що складаються з двох чи більшого числа металів.

Сплавами називають тверді речовини, отримані шляхом дифузії елементів у твердому, рідкому чи газоподібному станах. Залежно від числа елементів (компонентів сплаву) розрізняють двокомпонентні, трикомпонентні та багатокомпонентні сплави. Речовини, що входять до складу сплаву, при твердінні можуть знаходитися у вигляді окремих частинок, зерен обох компонентів (механічна суміш), у вигляді хімічних сполук чи взаємно розчинених один в одному компонентів (твердий розчин).

Сплави типу механічної суміші утворюється з речовин, що не розчинюються і не вступають у хімічну взаємодію між собою у твердому стані з утворенням сполук. Такі сплави складаються із суміші кристалітів речовин, які зберігають власні кристалічні грати. Властивості сплаву будуть визначатися співвідношенням компонентів, що входять до його складу.

Сплави типу хімічної сполуки утворюються при взаємодії різних речовин. Вміст компонентів при цьому повинен бути суворо визначеним. Кристалічні грати сплаву відрізняється від кристалічних гратів компонентів, тому мають інші механічні, фізичні та хімічні властивості.

Сплави типу твердих розчинів бувають трьох видів: тверді розчини заміщення, тверді розчини проникнення і тверді розчини віднімання.

Тверді розчини заміщення  утворюються в тих випадках, коли атоми речовини, що розчиняється, заміщують в кристалічних гратах атоми розчинника (рис. 1а). Це можливо, якщо компоненти мають однакові решітки, а розміри їх атомів мало відрізняються один від одного (не більше 15%).

Утворення твердих розчинів проникнення (рис. 1б) відбувається при розчиненні атомів якогось елемента в кристалічних гратах розчинника, тобто коли атоми розчиненого елемента проникають в грати розчинника в проміжках між його атомами. Як правило, тверді розчини проникнення утворюються з неметалами. При цьому параметри кристалічних грат завжди збільшуються.

Тверді розчини віднімання (рис. 1в) утворюються тільки в сплавах, що містять хімічні сполуки, коли надлишкові атоми одного з компонентів займають суворо визначені місця в кристалічних гратах, а місця, які повинні бути зайняті атомами іншого компонента, залишаються частково вільними, наприклад у гратах карбідів TiC, WC (місця, що належать вуглецю, залишаються вільними).

 

Рис. 1. Схема розподілу атомів у  гратах твердих розчинів

 

Фазовий стан сплавів залежно від  концентрації компонентів і температури  зображують графічно. Таке зображення фазового стану сплавів називають діаграмою стану. Оскільки діаграма стану показує стійкий стан системи (сукупність фаз, що знаходяться у рівновазі), то вона є діаграмою рівноваги фаз, існуючих при даних умовах. Стан сплаву, що зображується на діаграмі, належить до рівноважних умов без урахування перегріву чи переохолодження, чого в дійсності бути не може. Внаслідок цього діаграми стану являють собою ідеальний випадок. Математичний опис загальних закономірностей існування стійких фаз, що відповідають умовам рівноваги, дав Гіббс. Цей опис має назву правила фаз і встановлює кількісну залежність між ступенем вільності системи С, кількістю фаз Ф і компонентів К.

Компонентами К називають речовини, що становлять систему і здатні переходити з однієї фази в іншу. Хімічно чистий елемент являє собою однокомпонентну систему. Однокомпонентною системою є й хімічна сполука, що не розкладається на складові частини в інтервалі температур дослідної системи.

Фазою Ф називають однорідну частину системи однакового агрегатного стану і складу, відокремлену від інших фаз поверхнею поділу, перехід якої різко змінює хімічний склад чи структуру речовини. Наприклад, розплавлений метал є однофазною системою, а сплав типу механічної суміші - двофазною і т. ін.

Під числом ступенів вільності С системи розуміють число факторів (температура, тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни числа фаз у системі.

Математичний вираз  правила фаз можна записати так:

С = К – Ф + 2,

тобто число ступенів вільності  рівноважної системи, на яку впливають температура і тиск, дорівнює числу незалежних компонентів системи мінус число фаз плюс два. Тиск при рівновазі не має впливу на процеси перетворення у сплавах, тому при вивченні систем під атмосферним тиском можна користуватися правилом фаз, яке записується так:

С = К – Ф + 1.

Це означає, що, не змінюючи агрегатного  стану системи, можна змінювати  температуру розплаву.

При кристалізації металу число  фаз дорівнює двом (рідка і тверда), а число ступенів вільності дорівнює нулю (С = 1 – 2 + 1 = 0). Це значить, що неможливо змінювати температуру і концентрацію системи без порушення рівноваги і зміни числа фаз до тих пір, доки не зникне одна з фаз і система не перетвориться в однофазну.

Діаграма стану  показує зміну фазового стану сплаву від температури і концентрації при постійному тискові. Для двокомпонентної системи на вісі абсцис відкладають концентрацію компонента (сума концентрацій компонентів дорівнює 100%), а на вісі ординат - температуру. Такі діаграми будують за даними термічного аналізу (рис. 2), тобто спочатку будують криві охолодження температура-час, а на них визначають температури перетворень за зупинками і згинами на цих кривих.

 

Рис. 2. Перенесення точок згину  кривих T -  t, отриманих за допомогою термічного аналізу, на діаграму температура - концентрація (приклад для сплавів з небмеженою розчинністю): 1, 4- температура затвердіння чистих металів А і В; 2, 3 - сплави системи А і В

 

На діаграмах стану крива ліквідуса - границя між гомогенною областю рідкого (розплавленого) стану і гетерогенною двофазною областю (рідкий + твердий стан). Крива солідуса - границя між двофазною (рідка + тверда) областю і твердою фазою.

Характеристика сплаву потребує не тільки якісного, але й кількісного  визначення його структурних складових. Усі сплави однієї області діаграми стану мають якісно однакову будову. Для визначення відносної кількості (маси) співіснуючих фаз і структурних складових одного сплаву користуються правилом відрізків коноди.

Конода - це відрізок горизонтальної лінії, або ізотерма, проведена всередині двофазної області діаграми стану до перетину з лініями границь двофазної області. Так, конода АЕ (рис. 3) проведена між вертикальною лінією для чистого компонента А і лінією ліквідуса. Точка перетину коноди з лінією ліквідуса (точка Е) вказує на склад рідкої частини сплаву. Спроектувавши точку Е на вісь концентрацій, можна визначити хімічний склад рідини, прочитавши на вісі концентрацій, скільки процентів металу В (а потім і металу А) є в рідкому (розплавленому) сплаві при даній температурі.

 

Рис. 3. Визначення кількості складових  сплаву за діаграмою стану

 

Нехай потрібно визначити кількісне  співвідношення між рідкою і твердою  частиною сплаву І - І при температурі .

Як видно (рис. 3), сплав при цій температурі складається з кристалів компонента А і рідкого сплаву складу, що відповідає точці Е.

Введемо позначення: Q_т - кількість (маса) твердої частини сплаву (в даному випадку кристалів A); Q_р - кількість (маса) рідкої частини сплаву (в даному випадку складу Е); Q_заг - загальна кількість (маса) сплаву.

Загальна кількість сплаву буде дорівнювати сумі рідкої і твердої частин:  Q_заг = Q_р + Q_т .

За правилом відрізків коноди загальну масу сплаву прирівнюють до довжини коноди (АЕ при температурі ), і тоді кількість рідкої фази Q_р і кількість твердої фази Q_т визначається відрізками коноди і , які утворилися при перетині коноди з лінією сплаву І - І.

Згідно з правилом відрізків коноди кількість рідкої фази дорівнює відношенню довжини відрізка коноди, прилеглого до точки складу твердої фази, до довжини усієї коноди: Q_р = ´100% (множення отриманого відношення АЕ відрізків на 100% дає можливість в процентах виразити кількість рідкої частини сплаву).

Кількість (чи маса) твердої фази сплаву дорівнює відношенню довжини відрізка коноди, прилеглого до точки складу рідкої фази, до довжини всієї коноди: Q_т = ´100 %.

Отже, для визначення кількості рідкої і твердої фаз сплаву за діаграмою стану потрібно зробити так:

1. Відновити перпендикуляр до  точки, що характеризує склад  даного сплаву (тобто провести  лінію сплаву).

2. При заданій температурі провести  коноду - горизонтальну лінію (ізотерму) до перетину з лініями, що обмежують дану область.

3. Співвідношення між рідкою  і твердою частинами сплаву  буде обернено пропорційне відрізкам,  на які лінія сплаву поділяє  коноду.

4. Для визначення кількості твердої  частини сплаву потрібно взяти  відношення довжини відрізка, прилеглого до рідкої частини сплаву, до довжини всієї коноди.

5. Для визначення кількості рідкої  частини сплаву потрібно взяти  відношення довжини відрізка, прилеглого до твердої частини сплаву, до довжини всієї коноди.

Існують такі типи подвійних діаграм стану.

1. Подвійна діаграма стану системи для випадку повної нерозчинності компонентів у твердому стані, утворення евтектики і повної розчинності компонентів у рідкому стані (рис. 4).

Рис. 4.  І - гомогенний розплав; ІІ – А-кристали і розплав; ІІІ - В-кристали і розплав; IV - А-кристали і евтектика; V – В-кристали і евтектика;  1 - доевтектичні сплави;  2 - заевтектичні сплави; Е - евтектика

 

2. Подвійна діаграма стану системи для випадку необмеженоі розчинності компонентів у рідкому і твердому станах (рис. 5).

 

Рис. 5.  І - гомогенний розплав (С = 2; К = 2; Ф = l); ІІ - розплав і твердий розчин (С = 1; K = 2; Ф = 2); ІІІ - тверда фаза (С = 2) - твердий розчин заміщення