1.Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

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

– «металлический блеск»;

– пластичность;

– высокая теплопроводность;

– высокая электропроводность.

металл состоит из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов что способствует хорошей пластичности, теплопроводности и электропроводности. Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

– размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов.

– углы между осями (альфа, бета, гамма).

– координационное число (К), указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

– базис решетки (количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки).

– плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары.

Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

– примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

– базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

– объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

– гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

.

а – объемно-центрированная кубическая; б – гране-центрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно-центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe )

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Fe), с индексом гамма вроде;

3) Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: бывает простая и плотноупакованная.

2.  Изотропия — одинаковость физических свойств во всех направлениях.

 Анизотропия - понимается неодинаковость механиче­ских и других свойств в кристаллических телах вдоль раз­личных кристаллографических направлений. Она является естественным следствием кристаллического строения, так как плотность атомов различна.

Железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных темпера­тур изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки. Это явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к дру­гому называются аллотропическими или полиморфными.

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

К точечными дефектам относятся дефекты связанные с единичными атомами. Выделяют: вакансии, атомы замещения и атомы внедрения. Объяснить, что значит каждый из этих видов проще с помощью схемы изображенной на рисунке.

Точечные дефекты. а) идеальная решетка, б) вакансия, в) атом замещение, г) атом внедрения

линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

Примером линейного дефекта является дислокация.

Линейный дефект – дислокация. а) идеальный кристалл, б) дислокация

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости.

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF. На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая,  против часовой стрелки – левая.

4. Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время. При достижении идеальной температуры затвердевания T_s падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Кристаллизация (или плавление) протекает в условиях, когда система переходит к термодинамическому более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией.

Энергетическое состояние системы, характеризуется термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (это только часть системы):

F = U – TS,

где U – полная энергия;

T – абсолютная температура К⁰;

S – энтропия (характеризует степень порядка; чем больше беспорядок, тем больше энтропия).

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры:

Изменение свободной энергии металла в жидком (F_Ж), в твердом (F_Т) состоянии в зависимости от температуры

Система с большой свободной энергией менее устойчива, и, следовательно, стремится перейти к устойчивому состоянию с минимальной свободной энергией. Выше температуры Т_Пустойчив жидкий металл (при Т₁ →F_ж<F_т), имеющий меньший запас свободной энергии, ниже этой температуры устойчив твердый металл (при Т_к → F_т< F_ж).

При Т_П величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны: F_ж = F_т. Температура Т_П – равновесная температура кристаллизации (плавления) вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут (F_ж= F_т) существовать одновременно и бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре не начинается.

Кристаллизация начнется, при создании специальных условий, когда возникнет разность свободных энергий Δf, то есть вследствие уменьшения свободной энергии твердого металла по сравнению жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже Т_П.

Темпера­турные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками.

5.После окончания кристаллизации температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии. При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов. Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла. Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы, По механизму воздействия различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

6. Определение химического состава. 

Используются методы количественного анализа.

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

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

Используются стационарные и переносные стилоскопы.

2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.

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

Изучение структуры. Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

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

Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами). Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.

2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм. Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения. Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

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

Физические методы исследования.

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

2.Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3. Магнитный анализ - Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот).

7. Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные.

 Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений. Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся.

8. К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, 

пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости.

1)Твердость по Бринеллю - испытание проводят на твердомере Бринелля.

В качестве индикатора используется стальной закаленный шарик.

2) Метод Роквелла - основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой. Индикатор для мягких материалов – стальной шарик, для более твердых материалов – конус алмазный.

3)метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка. В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136^o.

4) Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

9) Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки. Литейные свойства – характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок. Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Усадка – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Ликвация – неоднородность химического состава по объему. Способность материала к обработке давлением – это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь. Свариваемость – это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Способность к обработке резанием – характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость  – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

10) Основные понятия в теории сплавов. Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Компоненты – вещества, образующие систему. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: 1.     механические смеси; 2.     химические соединения; 3.     твердые растворы. Механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами. Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии. Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе. В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

11) Классификация сплавов твердых растворов. По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы: ·  с неограниченной растворимостью компонентов; ·  с ограниченной растворимостью компонентов. При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы: ·   замещения; ·   внедрения; ·   вычитания.

В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента. Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры. Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус. По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс –концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

12) Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены на рис. 5.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б) Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния. Проведем анализ полученной диаграммы. 1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В). 2. Число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора ) 3. Основные линии диаграммы: ·       acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; ·       adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. 4. Характерные сплавы системы: Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на рис. 5.1,б. Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву I, кривая охлаждения которого представлена на рис. 5.1, б. Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора ) число степеней свободы будет равно единице . При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора .

13) Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в компонентов в твердом состоянии (механические смеси). Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис. 5.3. Рис. 5.3. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б) Проведем анализ диаграммы состояния. 1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В); 2. Число фаз: f = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза). 3. Основные линии диаграммы: ·  линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке; ·  линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их; 4. Типовые сплавы системы. а) Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре, на рис 5.3 б показана кривая охлаждения компонента А. б). Эвтектический сплав – сплав, соответствующий концентрации компонентов в точке с (сплав I). Кривая охлаждения этого сплава, аналогична кривым охлаждения чистых металлов (рис. 5.3 б) Эвтектика – мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре. При образовании сплавов механических смесей эвтектика состоит из кристаллов компонентов А и В: Эвт. (кр. А + кр. В).

в) Другие сплавы системы аналогичны сплаву II, кривую охлаждения сплава см на рис 5.3.б. Процесс кристаллизации сплава II: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов компонента В) число степеней свободы будет равно единице. При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического. На участке 2–2^’ кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2^’охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики.

14) Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.5.5. 1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В); 2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В)); 3. Основные линии диаграммы: ·  линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке; ·  линия солидус аdcfb, состоит из трех участков; ·  dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В. 4. Типовые сплавы системы. При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью, см кривую охлаждения сплава I на рис. 5.5 б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям, см. кривую охлаждения сплава II на рис. 5.5 б. Рис. 5.5 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость) По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы. На диаграмме: df – линия переменной предельной растворимости компонента В в компоненте А; ek – линия переменной предельной растворимости компонента А в компоненте В. Кривая охлаждения сплава I представлена на рис. 5.7 б. Рис. 5.7. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

15) Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь. Эта зависимость установлена Курнаковым, (см. рис. 5.8.). Рис. 5.8. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния 1.     При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов. 2.     При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов. 3.     При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. 4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

16. Диаграмма состояния железо-углерод даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Диаграмма железо-углерод, как следует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Фазы состояния сплава железо – углерод.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Компоненты:

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С 5^o С.

2. Углерод.

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02% при температуре 727° С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392° С существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1% при температуре около 1500 °С (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768° С.

3. Аустенит (γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727° С (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147° С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67% углерода. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.

17. Структуры железоуглеродистых сплавов Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67% углерода.

18. Классификация углеродистых сталей

В зависимости от назначения стали делят на:

конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);

инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы).

По структуре:

– доэвтектоидные;

– эвтектоидные;

– заэвтектоидные.

По содержанию углерода:

– малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);

– среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С);

– высокоуглеродистые (> 0,6%С).

По качеству:

– обыкновенного качества ( <0,05%S; <0,04%Р);

– качественные ( <0,04%S; <0,035%Р);

– высококачественные ( <0,03%S; <0,03%Р).

Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора.

Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали – качественными и высококачественными.

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора. Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 — это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная.

Классификация сталей

Качественные углеродистые стали

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали. Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Пример: сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45. Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Пример: сталь У8, сталь У13. Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Пример: сталь У10А.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.

Качественные и высококачественные легированные стали

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов: Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот ( указывается в середине марки), Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Легированные конструкционные стали

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

Пример: сталь 15Х25Н19ВС2. В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Легированные инструментальные стали

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается. Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

19. Чугун - это железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.

Чугун - важнейший первичный продукт черной металлургии. Чугун вторичной плавки - один из основных конструкционных материалов, используемый как литейный сплав.

Чугун отличается от стали по составу - более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаётся ковке). Чугун дешевле стали.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;

высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита.

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;  ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;  КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун:

20) Чугун - это железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.

Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

Графитизация чугуна при кристаллизации способствует повышению его жидкотекучести, формозаполняемости.

Графитизация чугуна при кристаллизации способствует и уменьшению дефектов в отливке усадочного происхождения: раковин, макро- и микропористости. Графитизация при кристаллизации чугуна позволяет уменьшить объём прибылей. Графитизация чугуна в период кристаллизации способствует уменьшению напряжений и уменьшению трещинообразований.

При производстве белых и ковких чугунов графитизация при кристаллизации является нежелательным процессом, снижающим в конечном итого эксплуатационные свойства чугунов: белых - износостойкость, ковких - прочность и вязкость.

Таким образом, графитизация улучшает все технологические свойства графитизируемых чугунов, за исключением тех случаев, когда отливка должна быть изготовлена из белого чугуна.

Графитизация железоуглеродистых расплавов без первоначального выделения металлических фаз в условиях, близких к равновесным, происходит в заэвтектических сплавах. Графитизирующее модифицирование, способствуя созданию неравновесного состояния расплава, макро- и микрофлуктуаций, как и некоторые приёмы плавки, создают благоприятные условия для процессов графитизации и расплавов доэвтектических сплавов.

21. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали – легированными. В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства. Достоинства легированных сталей:

• особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

• улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям ( );

• легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

• возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

• повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

• подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;

• в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

• склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуетсястрочечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

• склонны к образованию флокенов.

ЛС в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе, подразделяются на пять классов; 1. перлитный; 2. мартенситный; 3. аустенитный; 4. ферритный; 5. карбидный, При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает.

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость.

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость.

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. 

Водород - Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. 

22) Классификация легированных сталей

Стали классифицируются по нескольким признакам.

1. По структуре после охлаждения на воздухе выделяются три основных класса сталей:

• перлитный;

• мартенситный;

• аустенитный

Стали перлитного класса характеризуются малым содержанием легирующих элементов; мартенситного – более значительным содержанием; аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация связана с кинетикой распада аустенита.

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температупная область мартенситного превращения снижается.

Для сталей перлитного класса кривая скорости охлаждения на воздухе пересекает область перлитного распада (рис. 17.3.а), поэтому образуются структуры перлита, сорбита или троостита.

Для сталей мартенситного класса область перлитного распада сдвинута вправо (рис.17.3 б). Охлаждение на воздухе не приводит к превращению в перлитной области. Аустенит переохлаждается до температуры мартенситного превращения и происходит образование мартенсита.

Для сталей аустенитного класса увеличение содержания углерода и легирующих элементов сдвигает вправо область перлитного распада, а также снижает мартенситную точку, переводя ее в область отрицательных температур (рис. 17.3.в). Сталь охлаждается на воздухе до комнатной температуры, сохраняя аустенитное состояние.

2. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):

• низколегированные – 2,5…5 %;

• среднелегированные – до 10 %;

• высоколегированные – более 10%.

3. По числу легирующих элементов:

• трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);

• четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее.

4. По составу:

никелевые, хпомистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).

5. По назначению:

• конструкционные;

• инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);

• стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).

23) Цветные металлы широко применяются в промышленности, несмотря на сравнительно высокую их стоимость.

К цветным металлам относятся:

• медь,

• алюминий,

• магний и др.

Медь — металл красноватого цвета, плотность 8,93 г/см , температура плавления 1083°С. Наиболее ценные свойства меди — высокая электропроводность, пластичность, теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость. Медь широко применяется в электропромышленности, а также для получения различных сплавов, используемых в машиностроении. Основные марки меди: М00, М0, M1, М2, М3, М4.

В технике применяют две основные группы медных сплавов: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с другими элементами). Обозначают сплавы начальной буквой (Л — латунь, Бр - бронза), а затем следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О - олово, Ц - цинк, М - марганец, Ж - железо, Ф — фосфор, Б - бериллий, X — хром и т. д. Первые две цифры в обозначении латуней указывают среднее содержание меди в процентах по массе, последующие цифры -содержание легирующих элементов.

Алюминий — легкий серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см3, температура плавления 658°С. Он обладает высокой электропроводностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, поддается обработке давлением и прокатывается в тонкую фольгу. Алюминий служит для изготовления электропроводов, посуды, фольги, а также для получения многих сплавов, применяемых в промышленности. В чистом виде алюминий используется мало, так как он имеет невысокие механические свойства. Основные марки алюминия: А999, А995, А99, А97, А95.

Алюминиевые сплавы делятся на литейные (АЛ2, АЛ4 и т. д.), которые применяют для получения отливок, и деформируемые, широко используемые в машиностроении для изготовления ответственных деталей. Чаще всего встречается дюралюминий, содержащий в качестве основного компонента медь и другие легирующие элементы: магний, марганец, титан. Маркируют дюралюминий буквой Д и порядковым номером (Д1, Д16,Д18).

Магний — блестящий белый металл, плотность 1,74 г/см3, температура плавления 650°С. Магний употребляется для получения легких сплавов, обладающих высокими механическими свойствами (сплавы с алюминием, марганцем, цинком). Основные марки магния: Мг1, Мг2.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и имеют достаточно высокую прочность. Литейные магниевые сплавы обозначают марками МЛ2, МЛЗ, МЛ4 и т. д. Применяют их для изготовления корпусов приборов, двигателей, фотоаппаратов. Деформируемые магниевые сплавы имеют марки МА2, МАЗ и т. д. Они являются наиболее прочными и применяются для изготовления деталей, несущих повышенные нагрузки.

24) Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов:

-высокая удельная прочность;

-высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа);

-высокая износостойкость;

-высокая усталостная прочность;

Из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.

Наиболее частые недостатки композиционных материалов:

-высокая стоимость;

-анизотропия свойств;

-повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

25) Состав и строение композиционных материалов

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые, слоистые, дисперсно-армированные. Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

26)  Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита

3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей:

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

3.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей:

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.