Materialwissenschaften. Spickzettel: kurz das Wichtigste

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Materialwissenschaften. Spickzettel: kurz das Wichtigste

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Inhaltsverzeichnis

Fachgebiet Materialwissenschaft; moderne Klassifizierung von Materialien, Hauptstadien in der Entwicklung der Materialwissenschaft
Kornstruktur von Metallen. Korn- und Subkorngrenzen
Lichtmikroskop; quantitative Eigenschaften der Mikrostruktur
Elementarzelle; Koordinationsnummer; Syngonie
Klassifizierung von Kristallstrukturfehlern. Punktdefekte, Abhängigkeit ihrer Konzentration von der Temperatur. Kanten- und Schraubenversetzungen
Diffusion in Metallen
Phasenübergänge erster und zweiter Art
Schmelzen von Metallen und Aufbau von Schmelzen
Kristallisation von Metallen; Keimbildung von Kristallen, kritischer Embryo; homogene und heterogene Kristallkeimbildung; Kristallwachstum. Tammann-Kurven
Barrenstruktur und amorphe Legierungen
Modifizierung von Metallen. Standardprüfungen für Zug-, Druck-, Biege-, Härte- und Schlagfestigkeit
Phasenumwandlungen im Festkörper
Elastische und plastische Verformung von Metallen
Brucharten: Konzepte des duktilen und spröden Bruchs
Elektrische Eigenschaften leitfähiger Materialien
Methoden zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften
Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Legierungen
Dilatometrie. Magnetische Eigenschaften von Metallen und Legierungen. Methoden der Bestimmung
Der Wert mechanischer und physikalischer Eigenschaften beim Betrieb von Produkten
Eigenschaften als Indikatoren für Materialqualität
Arten von Phasen in Metalllegierungen. Phasenregel; Hebel Regel
Feste Lösungen der Substitution und Einführung; Zwischenphasen; Aufbauten
System mit unbegrenzter Löslichkeit in flüssigem und festem Zustand; eutektische, peritektische und monotektische Systeme. Systeme mit Polymorphismus von Komponenten und eutektoider Transformation
Ein System mit einem ternären Eutektikum und nahezu völliger Abwesenheit der Löslichkeit von Komponenten im festen Zustand; isotherme und polytherme Abschnitte
Hebel- und Schwerpunktsregel eines Dreiecks
Abhängigkeit mechanischer und physikalischer Eigenschaften von der Zusammensetzung in Systemen verschiedener Art
Die Auswahl von Legierungen für einen bestimmten Zweck basiert auf der Analyse von Zustandsdiagrammen
Struktur und Eigenschaften von Eisen; metastabile und stabile Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramme. Bildung der Struktur von Kohlenstoffstählen. Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in Stahl anhand der Struktur
Bau- und Werkzeugkohlenstoffstähle. Kennzeichnung, Anwendung
Weiß-, Grau-, Halb-, Sphäro- und Temperguss
Mikrostrukturbildung, Eigenschaften, Kennzeichnung und Anwendungen
Die Rolle der Wärmebehandlung bei der Verbesserung der Qualität von Baumaterialien
Anwendung der Wärmebehandlung in der Technologie zur Herstellung von Rohlingen und Produkten aus Strukturmaterialien
Glühen der 1. Art. Nichtgleichgewichtskristallisation
Homogenisierungsglühen, Struktur- und Eigenschaftsänderungen beim Homogenisierungsglühen. Härten mit polymorpher Transformation. Härten ohne polymorphe Transformation
Veränderungen der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von Metallen beim Erhitzen nach Heiß- und Kaltdruckbehandlung
Rückgabe, primäre und kollektive Umkristallisation. Rekristallisationsglühen
Glühen der zweiten Art. Glühen und Normalisieren von Stählen; Modi und Zweck des Glühens und Normalisierens
Härten von Stählen. Umwandlungen im Stahl beim Anlassen, Veränderungen der Mikrostruktur und Eigenschaften
Chemisch-thermische Behandlung von Stahl. Zweck, Typen und allgemeine Muster. Diffusionssättigung von Legierungen mit Metallen und Nichtmetallen
Klassifizierung und Kennzeichnung von legierten Stählen. Der Einfluss von Legierungselementen auf Umwandlungen, Mikrostruktur und Eigenschaften von Stahl; Prinzipien der Entwicklung legierter Stähle
Baustähle: Bau, Maschinenbau, hochfest. Werkzeugstähle: Stähle für Schneidwerkzeuge, Lager, Gesenkstähle
Rostfreie, hitzebeständige und hitzebeständige, kältebeständige, elektrische und verschleißfeste Stähle
Kennzeichnung, Struktur, Eigenschaften und Anwendungen von Nichteisenmetallen und ihren Legierungen
Aluminium; Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Aluminium; Knet- und Gussaluminiumlegierungen
Kupfer; Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Kupfer. Messing, Bronze, Kupfer-Nickel-Legierungen
Magnesium und seine Legierungen
Titan und seine Legierungen
Arten von Verbundwerkstoffen. Struktur, Eigenschaften, Anwendungen
Chemische Zusammensetzung, Methoden zur Gewinnung von Pulvern, Eigenschaften und Methoden zu ihrer Kontrolle
Formen und Sintern von Pulvern, Anwendungsgebiete
anorganische Gläser. Technische Keramik
Polymere, Kunststoffe

1. das Fach Materialwissenschaft; Moderne Klassifikation von Materialien, Hauptstadien in der Entwicklung der Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft untersucht die Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften und das Verhalten von Materialien in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen. Die Einwirkung kann thermisch, elektrisch, magnetisch usw. sein. Jede Komponente von Strukturen oder Strukturen ist Belastungen sowohl von anderen Komponenten als auch von der äußeren Umgebung ausgesetzt.

Materialklassifizierung: Metallische, nichtmetallische und Verbundwerkstoffe. Metallwerkstoffe werden in Nichteisenmetalle, Pulverwerkstoffe unterteilt. Nichtmetallische Werkstoffe: Gummi, Glas, Keramik, Kunststoffe, Glaskeramik. Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die aus zwei oder mehr Materialien (Glasfaser) bestehen.

Je nach Art der Halbzeuge gibt es eine Klassifizierung der Materialien: Platten, Pulver, Granulate, Fasern, Profile usw.

Die Technik der Materialerstellung ist die Grundlage für die Gliederung nach Struktur.

Metallische Werkstoffe werden entsprechend der ihnen zugrunde liegenden Komponente in Gruppen eingeteilt. Eisenmetallurgische Materialien: Stahl, Gusseisen, Ferrolegierungen, Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist. Nichteisenmetallurgische Materialien: Aluminium, Kupfer, Zink, Blei, Nickel, Zinn.

Die Basis moderner Technik bilden Metalle und Metalllegierungen. Metalle sind heute die anwendungstechnisch vielseitigste Werkstoffklasse. Um die Qualität und Zuverlässigkeit von Produkten zu verbessern, werden neue Materialien benötigt. Verbund-, Polymer- und Pulvermaterialien werden verwendet, um diese Probleme zu lösen.

Metalle sind Substanzen, die Formbarkeit, Glanz, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In der Technik werden alle metallischen Werkstoffe als Metalle bezeichnet und in zwei Gruppen eingeteilt.

Unedle Metalle - Metalle, die eine geringe Menge an Verunreinigungen anderer Metalle aufweisen.

Verbundmetalle - Metalle, die Kombinationen eines einfachen Metalls als Basis mit anderen Elementen sind.

Drei Viertel aller Elemente im Periodensystem sind Metalle.

Die Materialwissenschaft oder die Wissenschaft der Materialien hat sich seit der Antike entwickelt. Die erste Stufe in der Entwicklung der Materialwissenschaften beginnt mit der spezialisierten Herstellung von Keramik. Einen besonderen Beitrag zur Entwicklung der Materialwissenschaften in Russland leistete M.V. Lomonosov (1711-1765) und D.I. Mendelejew (1834-1907). Lomonosov entwickelte einen Kurs in physikalischer Chemie und chemischer Atomistik und bestätigte die Theorie der atomaren und molekularen Struktur der Materie. Mendelejew wird die Entwicklung des Periodensystems der Elemente zugeschrieben. Beide Wissenschaftler widmeten dem Problem der Glasherstellung große Aufmerksamkeit.

Im XNUMX. Jahrhundert Beitrag zur Entwicklung der Materialwissenschaft leistete F.Y. Levinson-Lessing, E.S. Fedorow, V. A. Obruchev, A.I. Fersmann, N.N. Belelubsky. Neue Materialien werden hergestellt: Portlandzement, neue Gipse, Zementbetone, Polymermaterialien usw.

Im Maschinenbau sind Metalle und Metalllegierungen weit verbreitet, weshalb die Metallkunde ein wichtiger Teil der Materialwissenschaften ist.

Die Metallwissenschaft als Wissenschaft entstand in Russland im XNUMX. Jahrhundert und ist die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung neuer optimaler technologischer Prozesse: Wärmebehandlung, Gießen, Walzen, Stanzen, Schweißen. Die bei anderen Werkstoffen nicht zu findende Kombination von hoher Festigkeit und Härte mit guter Duktilität, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit war der Grund für die Verwendung von Metallen als Hauptkonstruktionswerkstoff in allen Bereichen der Technik.

Zum ersten Mal wurde die Existenz eines Zusammenhangs zwischen der Struktur von Stahl und seinen Eigenschaften von dem herausragenden russischen Wissenschaftler P.P. Anosov (1799-1851), der das lange verloren geglaubte Geheimnis der Herstellung und Beschaffung von Damaststahl durch die alten Meister des Ostens enthüllte, der für die Herstellung von Klingen verwendet wird. Der Damaststahl von Anosov war auf der ganzen Welt berühmt und wurde sogar ins Ausland exportiert. Die aus diesem Stahl gefertigten Klingen zeichneten sich durch hohe Härte und Zähigkeit aus. P.P. Anosov gilt als „Initiator“ der Produktion von hochwertigem Stahl, er war der erste, der ein Mikroskop zur Bestimmung der Struktur von Stahl verwendete, und initiierte die Untersuchung der regelmäßigen Beziehung zwischen der Struktur und den Eigenschaften von Legierungen.

Der Begründer der wissenschaftlichen Metallurgie D.K. Chernov (1839-1921), der 1868 Phasenumwandlungen in Stahl entdeckte. Entdeckung von D.K. Die kritischen Punkte a und b von Chernov (gemäß der modernen Bezeichnung A1 und A3) revolutionierten das Wissen über die Natur von Metalllegierungen und ermöglichten die Erklärung einer Reihe "mysteriöser" Phänomene, die während der Wärmebehandlung von Stählen auftreten.

Einen großen Beitrag zur Entwicklung der Metallwissenschaft leistete N.S. Kurnakov, A.A. Baikov, N.T. Gudtsov, A.A. Bochnar, G.V. Kurdjumow, S.S. Shteyiberg, A.P. Gulyaev sowie andere sowjetische Wissenschaftler.

Von großer Bedeutung für die Entwicklung der Metallwissenschaft und Wärmebehandlung waren die Arbeiten von Osmond (Frankreich), Seitz, Bain und Meil (USA), Tammann und Hahnemann (Deutschland).

Im XNUMX. Jahrhundert wurden in Theorie und Praxis der Materialwissenschaften große Errungenschaften erzielt, hochfeste Werkstoffe für Werkzeuge geschaffen, Verbundwerkstoffe entwickelt, die Eigenschaften von Halbleitern entdeckt und genutzt, Methoden zur Festigung von Bauteilen durch thermische und chemische thermische Behandlung wurden verbessert.

2. Kornstruktur von Metallen. Korn- und Subkorngrenzen

Metalle sind polykristalline Körper, sie bestehen aus kleinen Kristallen. Sie zeichnen sich durch metallische Eigenschaften aus und machen 50 % aller chemischen Elemente aus. Die Struktur von Metallen und ihren Legierungen ist kristallin.

Bei der Kristallisation nehmen die Kristalle eine unregelmäßige Form an. Sie werden Körner genannt. Jedes Korn hat seine eigene Kristallgitterorientierung, die sich von der Orientierung benachbarter Körner unterscheidet. Die Korngröße eines Metalls beeinflusst seine mechanischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften, Zähigkeit und Plastizität, sind viel höher, wenn das Metall eine feine Körnung hat.

Korngrenzflächen werden als Korngrenzen bezeichnet, die: geneigt sein können, wenn sich die Rotationsachse in derselben Ebene wie die Grenze befindet; mit der Achse senkrecht zur Ebene verdreht. Ein solches Stück Metall ist ein Polykristall. Die Korngrenzen werden durch die Berührungspunkte benachbarter Kristalle bestimmt. Die Größe, Struktur und Art der Struktur der Körner kann anhand der Brüche des Metalls beurteilt werden.

Bei polykristallinen Materialien beträgt die Korngröße 1 bis 1000 Mikrometer. Die Körner sind desorientiert, relativ zueinander um bis zu zehn Grad gedreht. Grenzen sind der Hauptfehler in Metallen. An den Grenzen zwischen den Körnern sind die Atome nicht richtig angeordnet. Es gibt einen mehrere Atomdurchmesser breiten Übergangsbereich, in dem das Gitter eines Korns in das Gitter eines anderen Korns mit anderer Orientierung übergeht. Die Struktur der Übergangsschicht (Grenze) trägt zur Akkumulation von Versetzungen darin bei, da beim Passieren der Grenze weder die Gleitebene noch der Burgers-Vektor unverändert bleiben. Eine Verletzung der richtigen Anordnung trägt dazu bei, dass an den Korngrenzen die Konzentration jener Verunreinigungen erhöht wird, die die Oberflächenenergie erniedrigen. Im Inneren der Körner ist die korrekte Kristallstruktur gestört.

Die Grenzen der Subkörner sind weniger gestört.

Alle Metalle haben gemeinsame Eigenschaften: Duktilität, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, spezifischer metallischer Glanz, Erhöhung des elektrischen Widerstands mit steigender Temperatur.

Aus einer flüssigen Schmelze wächst ein Einkristall, der ein Einkristall ist. Die Größen von Einkristallen sind klein, sie werden in Labors verwendet, um die Eigenschaften von Substanzen zu untersuchen. Metalle und Legierungen, die unter den gewöhnlichsten Bedingungen gewonnen werden, bestehen aus einer großen Anzahl von Kristallen, sie haben eine polykristalline Struktur.

Durch die Untersuchung der Struktur von Metallen mittels Röntgenbeugungsanalyse und Elektronenmikroskop konnte festgestellt werden, dass die innere Kristallstruktur des Korns nicht korrekt ist. In den Kristallgittern realer Metalle gibt es verschiedene Defekte (Unvollkommenheiten), die die Bindungen zwischen Atomen stören und die Eigenschaften von Metallen beeinflussen. Bei allen Gitterfehlern handelt es sich um Störungen in der Anordnung der Atome im Gitter.

Die Anordnung der Atome im Gitter kann in Form eines zentrierten Würfels (b- und c-Eisen, b-Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram, Vanadium), eines Würfels mit zentrierten Flächen (r-Eisen, Aluminium, Kupfer, Nickel, Blei, c-Kobalt) oder hexagonal oder in Form einer Zelle (Magnesium, Zink).

Körner in Polykristallen sind nicht monolithisch, sondern bestehen aus separaten Teilkörnern, die um einen kleinen Winkel gegeneinander gedreht sind. Ein Subkorn ist ein Polyeder, das entweder wenige oder gar keine Versetzungen enthält. Die Hauptmerkmale von Subkörnern: Typ, Lage, Struktur, Versetzungsdichte. Viele Versetzungen entstehen durch mechanische Scherung.

Die Grenzen von Subkörnern und Körnern in Metallen werden in solche mit niedrigem und hohem Winkel unterteilt. Zwischen Subkörnern werden Grenzen mit kleinem Winkel beobachtet, die eine Versetzungsstruktur aufweisen. Eine Grenze mit kleinem Winkel kann durch eine Reihe paralleler Kantenversetzungen dargestellt werden. Die Bildung von Subkörnern mit Kleinwinkelversetzungen wird als Polygonisierung bezeichnet. Die Struktur von Hochwinkelgrenzen ist komplexer. Untergrenzen werden durch bestimmte Versetzungssysteme gebildet. Je nachdem, welches Material und welche Wirkung die Umgebung darauf hat, wird der Ort von Versetzungen lokalisiert. Wenn das Metall leicht verformt ist, sind die Gleitebenen der Ort der Ansammlung von Versetzungen. Werden jedoch Metalle wie Aluminium und Eisen starken Verformungen ausgesetzt, dann zeigen sich Versetzungen in Form komplexer Geflechte: Räume, Netzwerke.

Die Struktur, in der die Subkörner in einem Winkel von 15-300 zueinander fehlorientiert sind, ist block- oder mosaikartig.

Die Versetzungsdichte im Metall nimmt mit zunehmendem Fehlorientierungswinkel der Subkörner und abnehmender Größe zu. Atome an Korngrenzen und Atome auf der Kristalloberfläche haben aufgrund der unkompensierten Kräfte der interatomaren Wechselwirkung eine höhere potentielle Energie im Vergleich zu Atomen in der Masse der Subkörner. Das Vorhandensein von Versetzungen beeinflusst die Festigkeitseigenschaften von Metallen. Theoretischen Berechnungen zufolge ist die Elastizitätsgrenze reiner Metalle 1000-mal höher als die reale, und die Elastizitätsgrenze von Stahl ist 100-mal höher.

3. Lichtmikroskopie; quantitative Eigenschaften der Mikrostruktur

Zur Untersuchung der inneren Struktur von Legierungen werden verschiedenste Methoden eingesetzt, die meist auf physikalischen Prinzipien beruhen.

Die Untersuchung der Struktur von Metallen beginnt mit Hilfe einer einfachen und in wissenschaftlichen und industriellen Labors gängigen Methode – der Lichtmikroskopie (metallografische Methode). Zum ersten Mal wurde die Untersuchung von Metallen mit einem Mikroskop von P.P. durchgeführt. Anosov. Er studierte Damaststahl.

Die Methode der Lichtmikroskopie wird zur Untersuchung von Größe, Form, Anordnung von Körnern, Defekten in der Kristallstruktur (Zwillinge, Versetzungen) sowie zur Vorhersage des Verhaltens von Metallen unter Betriebsbedingungen verwendet.

Alle Metalle sind undurchsichtige Substanzen (für sichtbares Licht). Die Form der Kristalle, ihre Größe und Lage werden an speziell angefertigten Mikroschliffen untersucht. In diesem Fall wird ein Metallschnitt in der für den Forscher interessanten Ebene durchgeführt, die resultierende Ebene wird geschliffen und poliert.

Sie können sowohl grob als auch fein schleifen, um die Unebenheiten der Schnittoberfläche zu beseitigen. Vor dem Polieren wird geschliffen. Um eine ebene Oberfläche zu erhalten, ist es notwendig, beim Schleifmittelwechsel die Bewegungsrichtung der Proben um 90° zu ändern. Das Schleifen sollte fortgesetzt werden, bis die Risiken aus der vorherigen Operation verschwunden sind. Gemäß den Ergebnissen des Schleifens sollte die Oberflächenrauhigkeit weniger als 0,08 Mikrometer betragen.

Das Polieren wird durchgeführt, um eine Spiegeloberfläche der Probe zu erhalten. Das Polieren kann mechanisch, elektrochemisch und chemisch-mechanisch erfolgen.

Das mechanische Schleifen wird mit einer Maschine mit einem rotierenden Rad durchgeführt, das mit Poliermaterial bedeckt ist. Auf dieses Material werden Schleifpartikel aufgebracht.

Chemisch-mechanisches Polieren wird mit Schleifpartikeln und chemischen Elementen durchgeführt.

Elektrochemisches Polieren wird in einem Elektrolytbad durchgeführt. Strom wird verwendet, um die Oberfläche zu glätten.

Beim mechanischen Schleifen und Polieren kommt es zu einer plastischen Verformung der Probenoberfläche. Abhängig von der Härte des Materials kann die Tiefe der Oberflächenverformung bis zu 25 Mikrometer erreichen.

Nach dem Schleifen und Polieren wird die bearbeitete Probe in Wasser, dann in Alkohol getaucht und anschließend mit Filterpapier getrocknet.

Um die Struktur sichtbar zu machen, wird ein Relief erzeugt oder die Strukturbestandteile werden in verschiedenen Farben bemalt, was durch chemisches Ätzen erreicht wird. Beim Ätzen greift Säure die Korngrenzen an, da es Stellen mit einer fehlerhaften Struktur gibt, die zu Vertiefungen im geätzten Bereich führen; Das auf sie fallende Licht wird gestreut und im Sichtfeld des Mikroskops erscheinen sie dunkel und der Körper des Korns erscheint hell.

Zur Untersuchung von Mikroschliffen bei der Untersuchung der Mikrostruktur von Metallen werden spezielle Mikroskope verwendet, bei denen der vom Schnitt reflektierte Strahl der Lichtquelle durch das Objektiv und das Okular geht und eine angemessene Vergrößerung ergibt.

Die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops ist gleich dem Produkt der Vergrößerungen von Objektiv und Okular.

Unter einem Mikroskop auf einem Schliff nach dem Polieren können Sie Mikrorisse und nichtmetallische Einschlüsse (Graphit in Gusseisen, Oxide) sehen. Um die Mikrostruktur des Metalls sichtbar zu machen, wird die Oberfläche des Dünnschliffs geätzt, d. h. mit speziellen Reagenzien behandelt, deren Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Metalls abhängt. Die Erkennung der Mikrostruktur beim Ätzen beruht darauf, dass unterschiedliche Phasen unterschiedlich geätzt und unterschiedlich eingefärbt werden. Durch das Ätzen von Mikroschliffen reiner Metalle ist es möglich, die Form und Größe einzelner Körner sichtbar zu machen. Die Mikroanalyse ermöglicht es, die Größe, Form und Orientierung von Körnern, einzelnen Phasen und Gefügebestandteilen, Veränderungen der inneren Struktur von Metallen und Legierungen in Abhängigkeit von ihren Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen festzustellen.

Um die Details der Struktur zu untersuchen, wird ein Elektronenmikroskop verwendet, bei dem das Bild mit einem Strom schnell fliegender Elektronen erzeugt wird. Es gibt direkte und indirekte Methoden zur Untersuchung der Struktur. Indirekte Methoden basieren auf einer speziellen Technik zur Herstellung von Dünnschichtabdrücken, die das Relief eines geätzten Schnitts widerspiegeln. Durch die Untersuchung der resultierenden Kopie werden die Details der Struktur beobachtet, ihre Mindestgröße beträgt 2–5 nm. Direkte Methoden ermöglichen die Untersuchung von bis zu 300 nm dünnen Metallfolien in Transmission mit hochauflösenden Elektronenmikroskopen (Mikroskope UEMV-100, UEMV-100A, UEMV-100V).

Ein optisches Mikroskop ist kein Gerät, das Kristalle beliebiger Größe erkennen kann.

Quantitative Metallographie steht vor gewissen Schwierigkeiten. Somit wird das Problem der Bestimmung der quantitativen Parameter eines dreidimensionalen Objekts durch Untersuchung seines zweidimensionalen Schnitts auf verschiedene Weise gelöst. Unter Verwendung des Vergleichsverfahrens und des Verfahrens der durchschnittlichen Länge des Segments, das das Korn kreuzt, wird die Größe der Metallkörner bestimmt.

Heutzutage wird ein automatisiertes System zum Untersuchen von Mikroschliffen von Metallen verwendet, das die Verwendung eines Mikroskops, einer Videokamera, eines Videoblasters und eines Personalcomputers umfasst.

4. Einheitszelle; Koordinationsnummer; Syngonie

Kristallographische Richtungen und Ebenen, Anisotropie; interplanare Abstände Kristallgitter – eine geordnete Anordnung von Atomen. Die Elementarzelle eines Kristalls ist das kleinste Volumen eines Kristalls, das alle seine Eigenschaften vollständig behält. Die Atome im Gitter sind unterschiedlich angeordnet.

Die Elementarzelle wiederholt sich dreidimensional und bildet ein Kristallgitter. Die Struktur eines Kristalls wird durch die Position der Atome in der Elementarzelle bestimmt.

Koordinationszahl - die Gesamtzahl der neutralen Moleküle und Ionen, die eine Bindung mit dem zentralen Ion im Komplex haben.

1. Elemente der vierten Gruppe haben kovalente gesättigte und gerichtete Bindungen und jedes Atom hat vier Nachbarn. Die Anzahl der nächsten Nachbarn ist die Koordinationszahl. Das Elementargitter ist ein Tetraeder mit einem Atom im Zentrum und vier Atomen an den Ecken.

2. Wenn eine Ionenbindung gebildet wird, werden die Kristallgitter kompakter, die Koordinationszahl erreicht aufgrund der Ungesättigtheit der Ionenbindung den Wert 6. Beispiel: NaCI-Kristallgitter – ein primitiver Würfel mit Chlor- und Natriumionen an den Ecken.

3. Metallbindungen machen Kristallgitter kompakter. Koordinationszahlen erreichen Werte von 8 und 12. In metallischen Materialien werden drei Arten von Kristallgittern gebildet: kubisch raumzentriert (bcc), kubisch flächenzentriert (fcc) und hexagonal dicht gepackt (HP).

Syngonie - eine der Unterteilungen von Kristallen aufgrund der Symmetrie ihrer Elementarzelle mit denselben Koordinatenachsensystemen. Syngonie charakterisiert die Symmetrie dreidimensionaler Strukturen mit Translationssymmetrie in drei Richtungen.

Abhängig von der Länge der auf den kristallographischen Achsen abgeschnittenen Segmente und der relativen Position dieser Achsen werden sieben Achsensysteme unterschieden.

1. Kubische Syngonie. Drei gleiche Achsen schneiden sich rechtwinklig.

2. Tetragonale Syngonie. Zwei gleich lange Segmente der Achse schneiden sich im rechten Winkel, die dritte Achse steht senkrecht dazu und das darauf abgeschnittene Segment ist unterschiedlich lang.

3. Rhombische Syngonie. Drei unterschiedlich lange Achsen schneiden sich rechtwinklig.

4. Monokline Syngonie. Zwei Achsen unterschiedlicher Länge schneiden sich unter einem schiefen Winkel, die dritte Achse bildet mit ihnen einen rechten Winkel.

5. Triklinische Syngonie. Drei unterschiedlich lange Achsen schneiden sich unter schiefen Winkeln.

6. Trigonale Syngonie. Drei gleich lange Segmente der Achsen schneiden sich in einer Ebene unter einem Winkel von 60 °C, die dritte Achse steht senkrecht auf dieser Ebene, und das darauf abgeschnittene Segment hat eine unterschiedliche Länge.

7. Sechseckige Syngonie. Die Position der Achsen ähnelt ihrer Position in der trigonalen Syngonie.

Die Ordnung der Anordnung von Atomen im Kristallgitter ermöglicht es, einzelne kristallographische Richtungen und Ebenen herauszufiltern.

Kristallographische Richtungen sind gerade Strahlen, die von jedem Bezugspunkt ausgehen, entlang dem sich Atome befinden. Die Bezugspunkte sind die Eckpunkte des Würfels. Kristallographische Richtungen sind die Kanten und Diagonalen der Würfelflächen. Möglicherweise gibt es auch andere Richtungen. Kristallographische Ebenen sind die Ebenen, auf denen Atome liegen.

Kristallographische Richtungen und Ebenen werden durch Miller-Indizes charakterisiert, die ihre verschiedenen Positionen bestimmen. Parallele Ebenen im Kristallgitter, die identisch aufgebaut sind, haben die gleichen Indizes. Um die Indizes aus einfachen ganzen Zahlen zu erhalten, kann die Ebene parallel verschoben werden. Die Position eines beliebigen Knotens des Kristallgitters relativ zu einem willkürlich gewählten Ursprung wird durch das Setzen der Koordinaten x, y, z bestimmt. Für eine Elementarzelle sind diese Koordinaten jeweils gleich den Gitterparametern a, b, c.

Um den Index zu bestimmen, finden Sie die Koordinaten des Atoms, das dem Referenzpunkt am nächsten liegt und in dieser Richtung liegt, ausgedrückt als Gitterparameter.

Alle physikalischen Eigenschaften, einschließlich der Festigkeit, von Metallen entlang verschiedener kristallographischer Richtungen hängen von der Anzahl der Atome ab, die sich in den genannten Richtungen befinden. Im Kristallgitter befinden sich in verschiedenen Richtungen unterschiedlich viele Atome. Bei kristallinen Substanzen ist Anisotropie zu beachten, d.h. ungleiche Eigenschaften entlang verschiedener Richtungen.

Anisotropie ist das Ergebnis einer geordneten Anordnung von Atomen in kristallinen Körpern und manifestiert sich innerhalb eines Einkristalls. Echte Metalle sind polykristalline Körper mit zahlreichen Körnern, die durch ihre kristallographischen Richtungen und Ebenen willkürlich zueinander ausgerichtet sind. Beim Testen von Proben, die entlang unterschiedlicher kristallographischer Richtungen geschnitten wurden, wird eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften beobachtet.

Echte Metalle haben eine durchschnittliche Isotropie und werden als quasi-isotrope oder pseudo-isotrope Körper bezeichnet

Interplanarer Abstand - der kürzeste Abstand, der parallele und gleich beabstandete Knotenebenen trennt.

5. Klassifizierung von Defekten in der Kristallstruktur. Punktdefekte, Abhängigkeit ihrer Konzentration von der Temperatur. Kanten- und Schraubenversetzungen

Ein Einkristall kann aus einer flüssigen Schmelze gezüchtet werden. Ein Einkristall ist ein Stück Metall aus einem Einkristall. Metalle und Legierungen, die unter normalen Bedingungen gewonnen werden, bestehen aus einer Vielzahl von Kristallen und haben eine polykristalline Struktur. Diese Kristalle werden Körner genannt und haben eine unregelmäßige Form. Jedes Korn hat seine eigene Kristallgitterorientierung und unterscheidet sich von der Orientierung benachbarter Körner.

Die innere Kristallstruktur des Korns ist nicht korrekt. In den Kristallgittern von Metallen gibt es Defekte (Unvollkommenheiten), die die Bindungen zwischen Atomen zerstören und die Eigenschaften von Metallen beeinträchtigen. Bei allen Gitterfehlern handelt es sich um Störungen in der Anordnung der Atome im Gitter. Oberflächenfehler sind die Grenzen von Metallkörnern. Folgende Strukturfehler werden unterschieden: Gitterfehler, Punkt, klein, linear, flach. Kristalldefekte verändern die physikalischen, mechanischen, chemischen und technologischen Eigenschaften von Metallen erheblich.

Punktdefekte umfassen Leerstellen (leere Stellen), fremde interstitielle Atome. Je höher die Temperatur, desto mehr Defekte.

Fremdatome sind eine der häufigsten Fehlstellen in der Kristallstruktur (Leerstellen, dislozierte Atome).

Eine Leerstelle ist eine leere Stelle in einem Kristallgitter, die aus verschiedenen Gründen entsteht. Leerstellenquellen sind Korngrenzen, in denen die korrekte Anordnung der Atome gestört ist. Die Anzahl der Leerstellen und deren Konzentration hängen von der Verarbeitungstemperatur ab. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Zahl der offenen Stellen zu. Bei der Bewegung durch den Kristall werden einzelne Leerstellen angetroffen, die sich paarweise zu Doppelleerstellen verbinden, während ihre Gesamtoberfläche abnimmt, die Stabilität einer gepaarten Leerstelle zunimmt und die Bildung von Dreierleerstellen und ganzen Ketten möglich ist.

Dislozierte Atome sind Atome, die den Knoten des Kristallgitters verlassen haben und einen Platz in den Zwischenräumen eingenommen haben. Bezieht sich auf Punktdefekte.

Fremdatome besetzen den Platz der Hauptatome im Kristallgitter oder werden in die Zelle eingebracht (eine Art Punktdefekte).

Wenn die Korrektheit der Kristallstruktur um Leerstellen, dislozierte Atome und Verunreinigungsatome herum verletzt wird, dann wird auch das Gleichgewicht der Kraftfelder der Atome in alle Richtungen verletzt. Alle Änderungen betragen nicht mehr als einige Atomdurchmesser. Punktdefekte interagieren miteinander. Es gibt eine Wechselwirkung zwischen Punktdefekten und linearen Defekten – Versetzungen.

Lineare Defekte sind in zwei Dimensionen klein, in der dritten sind sie größer, was der Länge des Kristalls entsprechen kann. Lineare Defekte umfassen Ketten von Leerstellen, interstitielle Atome und Versetzungen. Versetzungen können sich in einer Richtung ziemlich ausdehnen und in der entgegengesetzten Richtung eine kleine Ausdehnung haben. Die Festigkeit und Duktilität von Metallen hängen direkt vom Vorhandensein von Versetzungen ab.

Lineare Unvollkommenheiten - Versetzungen, sie sind eine besondere Art von Unvollkommenheiten im Kristallgitter. Ein Merkmal der Versetzungsstruktur ist die Versetzungsdichte.

Derzeit sind verschiedene Mechanismen der Versetzungsbildung bekannt. Versetzungen können während des Wachstums von Körnern, während der Bildung von Subkörnern entstehen. Es wurde experimentell festgestellt, dass die Grenzen von Körnern und Blöcken eine hohe Versetzungsdichte aufweisen. Bei der Kristallisation aus einer Schmelze ist es energetisch günstig, wenn der Keim unter Bildung einer Schraubenversetzung an seiner Oberfläche wächst. Förderung der Bildung von Versetzungen und Absonderung von Verunreinigungen. In einem erstarrten Metall entstehen Versetzungen durch Anhäufung von Leerstellen.

Der Bereich der Kristallunvollkommenheit um den Rand der Extraebene wird als Kantenversetzung (linear) bezeichnet. Eine Kantenversetzung stellt ein schnell abklingendes Feld elastischer Spannungen im Kristallgitter um den Rand der Extraebene dar, das dadurch verursacht wird, dass oberhalb dieses Randes die Gitterparameter etwas komprimiert und unterhalb dieses Randes entsprechend gedehnt werden. In einer Dimension hat das Ausmaß einer Versetzung makroskopischen Charakter (eine Versetzung kann nur an der Kristallgrenze brechen – sie ist die Grenze der Scherzone). Die Bewegung einer Kantenversetzung ist konservativ.

Wenn sich die Extraebene im oberen Teil des Kristalls befindet, wird die Versetzung als positiv bezeichnet; Wenn sich die Extraebene im unteren Teil des Kristalls befindet, wird sie als negativ bezeichnet.

Schraubenversetzungen entstehen, wenn zwei Teile des Kristalls in Richtung der Ebene der Anhäufung von Leerstellen verschoben werden.

Entsteht eine Schraubenversetzung durch Rechtsdrehung, spricht man von Rechtsdrehung, bei Linksdrehung von Linksdrehung. Leerstellen und Zwischengitteratome fließen nicht zur Schraubenversetzung. Auch die Bildung partieller und gemischter Luxationen ist möglich. Durch die Bildung von Versetzungen erhöht sich die Energie des Kristalls.

Versetzungen tragen zu einer Erhöhung der inneren Spannungen in Metallen bei. Die Verwendung von polarisiertem Licht ermöglicht es, die Spannungsfelder sichtbar zu machen, die um Versetzungen herum entstehen.

6. Diffusion in Metallen

Diffusion ist die Übertragung von Materie aufgrund der zufälligen thermischen Bewegung diffundierender Partikel. Wenn ein Gas diffundiert, ändern seine Moleküle ihre Bewegungsrichtung, wenn sie mit anderen Molekülen kollidieren.Die Hauptbewegungsarten bei der Diffusion in Festkörpern sind zufällige periodische Sprünge von Atomen von einem Kristallgitterplatz zu einem Nachbarplatz oder einer Leerstelle.

Die Entwicklung des Diffusionsprozesses führt zur Bildung einer Diffusionsschicht, die als Schicht des Materials des Teils nahe der Sättigungsoberfläche verstanden wird, die sich von der ursprünglichen in chemischer Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften unterscheidet.

Die Diffusionsbewegung jedes Atoms ist aufgrund der großen Schwingungsamplitude ein Irrweg, der weder von der Bewegung anderer Atome noch von der vorherigen Bewegung dieses Atoms abhängt. Temperaturunabhängige Schwingungen von Atomen um die Gleichgewichtslage treten üblicherweise mit einer Frequenz von ~10 auf¹³ с^-1

Die Frage der Bestimmung des Diffusionsmechanismus ist sehr komplex. Die Arbeiten von Ya.I. spielten eine wichtige Rolle bei der Lösung dieses Problems. Frenkel, der den enormen Einfluss von Kristallgitterdefekten, insbesondere Leerstellen, auf den Prozess der Diffusionsbewegung von Atomen zeigte. Am schwierigsten ist der einfache Austauschdiffusionsmechanismus und am wahrscheinlichsten ist der Leerstellenmechanismus. Jeder Diffusionsmechanismus entspricht einer bestimmten Aktivierungsenergie Q, also dem Wert der Energiebarriere, die ein Atom überwinden muss, wenn es sich von einer Position zur anderen bewegt.

Die Bewegung während des Crowdion-Diffusionsmechanismus ähnelt der Ausbreitung einer Welle: Jedes Atom wird um einen kleinen Betrag verschoben und die Störung breitet sich schnell aus. Für die Diffusion sind Leerstellen und ihre Assoziationen (Bivakanzen, Leerstellen-Verunreinigungs-Atomkomplexe) sowie Defekte, die ihre Quellen darstellen (linear und oberflächlich), von großer Bedeutung.

Der Hauptmechanismus der Selbstdiffusion und der Diffusion in substitutionellen festen Lösungen ist der Leerstellenmechanismus. In interstitiellen festen Lösungen ist der Hauptmechanismus für die Bewegung kleiner Verunreinigungsatome interstitial.

Wenn zwei gut verbundene Stücke aus reinen Metallen A und B längere Zeit geglüht werden, wird eine gegenseitige Durchdringung der Metalle und eine Verschiebung der durch Inertmarken (Oxidpartikel oder Wolframdrähte) markierten anfänglichen Grenzfläche um den Wert Δx beobachtet. die direkt proportional zur Quadratwurzel der Glühzeit ist. Wenn d_А > D._В, dann dringt Komponente A schneller in B ein als B in A, wodurch Teil B der Probe an Volumen zunimmt.

Diffusionsmetallisierung ist der Prozess der Diffusionssättigung der Oberfläche von Produkten mit Metallen oder Metalloiden. Die Diffusionssättigung wird in einem Pulvergemisch, gasförmigen Medium oder geschmolzenem Metall (wenn das Metall einen niedrigen Schmelzpunkt hat) durchgeführt.

Borieren - Diffusionssättigung der Oberfläche von Metallen und Legierungen mit Bor zur Erhöhung der Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erfolgt durch Elektrolyse in geschmolzenem Borsalz. Borieren sorgt für eine besonders hohe Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Borstähle haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit in wässrigen Lösungen von Salz-, Schwefel- und Phosphorsäure. Das Borieren wird für Gusseisen- und Stahlteile eingesetzt, die unter Reibungsbedingungen in aggressiver Umgebung (in der chemischen Verfahrenstechnik) arbeiten.

Verchromung - Diffusionssättigung mit Chrom wird in Pulvermischungen aus Chrom oder Ferrochrom unter Zusatz von Ammoniumchrom (1%) und Aluminiumoxid (49%) bei einer Temperatur von 1000 ... 1050 ° C mit einer Exposition von 6 durchgeführt ... 12 Std. Das Verchromen wird für Verschleißteile in Dampf-Wasser- und aggressiver Umgebung (Armaturen, Ventile) verwendet. Beim Verchromen von kohlenstoffarmen Stahlprodukten nimmt die Härte zu und es wird eine gute Korrosionsbeständigkeit erreicht.

Beim Aluminieren handelt es sich um einen Prozess der Diffusionssättigung der Oberflächenschicht mit Aluminium, der in pulverförmigen Aluminiummischungen oder in geschmolzenem Aluminium durchgeführt wird. Ziel ist es, eine hohe Hitzebeständigkeit der Oberfläche von Stahlteilen zu erreichen. Das Aluminieren wird in festen und flüssigen Medien durchgeführt.

Silikonisierung - Diffusionssättigung mit Silizium wird in einer gasförmigen Atmosphäre durchgeführt. Die siliziumgesättigte Schicht des Stahlteils hat keine sehr hohe Härte, aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine erhöhte Verschleißfestigkeit in Meerwasser, Salpetersäure, Salzsäure in Schwefelsäure. Silikonisierte Teile werden in der Chemie-, Zellstoff-, Papier- und Ölindustrie eingesetzt. Zur Erhöhung der Hitzebeständigkeit wird bei Produkten aus Legierungen auf Basis von Molybdän und Wolfram, die eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen, eine Silikonisierung eingesetzt.

In den Materialwissenschaften werden makro- und mikroskopische Diffusionstheorien entwickelt. In der makroskopischen Theorie liegt der Schwerpunkt auf dem Formalismus, dh auf thermodynamischen Kräften und Parametern. Die mikroskopische Theorie verwendet Mechanismen, die auf der Theorie der atomaren Sprünge basieren.

7. Phasenübergänge erster und zweiter Art

Die Komponenten im flüssigen Zustand (Komponenten A) sind unbegrenzt löslich, die Komponenten im festen Zustand (Komponenten B) gehen keine chemischen Verbindungen ein und sind unlöslich.

Zustandsdiagramme stellen einen Graphen in den Koordinaten der Legierung dar - Temperatur, der die Produkte widerspiegelt, die als Ergebnis der Wechselwirkung der Legierungskomponenten miteinander unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts bei unterschiedlichen Temperaturen gebildet werden. Das sind Stoffe, die je nach Temperatur und Zusammensetzung einen bestimmten Aggregatzustand, eine bestimmte Art der Struktur und bestimmte Eigenschaften haben, man nennt sie Phasen. Eine Phase ist ein homogener Teil der Legierung, der die gleiche Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften hat. Die flüssige Phase ist eine Lösung aus geschmolzenen Komponenten. Feste Phasen sind Körner, die eine bestimmte Form, Größe, Zusammensetzung, spezifische Struktur und Eigenschaften haben. Dies sind feste Lösungen, chemische Verbindungen sowie Körner aus reinen Komponenten, die weder feste Lösungen noch chemische Verbindungen mit anderen Komponenten bilden.

Das Phasendiagramm, das den Grenzzustand von Legierungen anzeigt, kann in Bereiche unterteilt werden. Einige Bereiche bestehen aus einer Phase, andere aus zwei; sie haben unterschiedliche Zusammensetzungen, Strukturen und Eigenschaften. Phasendiagramme enthalten die Informationen, die zur Herstellung und Verarbeitung von Legierungen erforderlich sind.

Zustandsdiagramm erster Art. Segmentregel. Dieses Diagramm umfasst Legierungen, deren Komponenten Mischungen ihrer praktisch reinen Körner mit vernachlässigbarer gegenseitiger Löslichkeit bilden.

Eine Legierung aus zwei Komponenten, die bei einer Mindesttemperatur schmelzen, wird als Eutektikum oder Eutektikum bezeichnet. Das Eutektikum ist eine gleichmäßige Mischung gleichzeitig kristallisierter kleiner Körner beider Komponenten. Die Temperatur, bei der beide Komponenten gleichzeitig schmelzen, wird als eutektische Temperatur bezeichnet.

Der Übergang von Legierungen vom flüssigen in den festen Zustand während der Kristallisation erfolgt im Temperaturbereich, der zwischen der Liquiduslinie und der eutektischen Temperatur liegt, die der Soliduslinie entspricht.

Alle quantitativen Legierungsänderungen während der Kristallisation unterliegen der Segmentregel. Je nach Zusammensetzung werden alle Legierungen in untereutektisch und übereutektisch eingeteilt. Untereutektische Legierungen enthalten Komponente A über (100-Ve)%. In ihnen ist es eine redundante Komponente. In übereutektischen Legierungen ist die Komponente B überflüssig (ihre Menge übersteigt Be).

Die Menge jedes Gefügebestandteils wird nach der Segmentregel in Abhängigkeit von der eutektischen Temperatur berechnet.

Zustandsdiagramm zweiter Art. Dendritische Segregation. Bei unbegrenzter Löslichkeit von Komponenten ineinander, die gleiche Gittertypen und eine ähnliche Struktur der äußeren Elektronenhüllen haben, erhält man Diagramme der zweiten Art.

Im Diagramm gibt es drei Phasenbereiche:

1. Oberhalb der Liquiduslinie ADB liegt der Bereich der flüssigen Phase G.

2. Darunter befindet sich bis zur Soliduslinie ADB ein Zweiphasengebiet b + G. Phase b ist eine feste Lösung der Komponenten A und B, die Körner haben ein Einkristallgitter. Für Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung ist jedoch die Anzahl der Atome der Komponenten A und B in den Elementarzellen des Gitters unterschiedlich.

3. Der unter der Soliduslinie liegende Bereich ist einphasig (Phase b).

Im Gegensatz zu Legierungen aus Mischungen von Körnern praktisch reiner Komponenten stellt jede der erstarrten Legierungen auf dem Zustandsdiagramm einen Satz von Phasenkörnern dar, die sich äußerlich nicht voneinander unterscheiden.

Im Falle einer beschleunigten Abkühlung der Legierung während der Kristallisation haben die Diffusionsprozesse keine Zeit zum Abschluss, und es stellt sich heraus, dass der zentrale Teil jedes Korns mit einer feuerfesteren Komponente und der periphere Teil mit einer niedrig schmelzenden Komponente angereichert ist (A). Dieses Phänomen wird als dendritische Liquation bezeichnet, was die Festigkeitseigenschaften von Legierungen verringert. Dies kann durch die langsame Abkühlung der Legierung verhindert werden, wodurch eine Gleichgewichtskristallisation sichergestellt wird.

Wenn eine dendritische Segregation auftritt, wird sie durch längeres Diffusionsglühen der Legierung beseitigt. Die dabei ablaufenden Diffusionsprozesse gleichen die chemische Zusammensetzung in den Körnern aus.

Während der plastischen Verformung eines metallischen Materials muss eine äußere Kraft den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung überwinden, der durch den Wert der Peierls-Nabarro-Kraft bestimmt wird. Diese Kraft hängt von der Intensität der interatomaren Wechselwirkung im Kristallgitter der Legierung ab.

Die Atome der löslichen Komponente im Gitter der festen Lösung gehen mit den Atomen der Lösungsmittelkomponente eine stärkere metallische Bindung ein als in den Gittern der beiden reinen Komponenten. Aus diesem Grund sollte der Widerstand gegen plastische Verformung einer festen Lösung mit einer Erhöhung des Gehalts einer anderen darin gelösten Komponente gemäß einem krummlinigen Gesetz zunehmen.

8. Schmelzen von Metallen und Aufbau von Schmelzen

Schmelzen ist der physikalische Prozess des Übergangs eines Metalls von einem Feststoff in eine geschmolzene Flüssigkeit. Das Schmelzen ist ein zur Kristallisation entgegengesetzter Prozess, der bei einer Temperatur oberhalb des Gleichgewichts, also bei Überhitzung, abläuft. Da ein flüssiges Metall mehr innere Energie hat als ein festes Metall, wird bei der Kristallisation Wärme freigesetzt. Es besteht ein gewisser Zusammenhang zwischen der Wärme Q und der Kristallisationstemperatur Tk. Der Grad der Überhitzung beim Schmelzen von Metallen überschreitet nicht mehrere Grad.

Im flüssigen Zustand bewegen sich die Atome einer Substanz aufgrund thermischer Bewegung zufällig, in der Flüssigkeit gibt es Atomgruppen mit kleinem Volumen, in denen die Anordnung der Atome ähnlich der Anordnung im Kristallgitter ist. Diese Gruppierungen sind instabil, sie lösen sich auf und erscheinen wieder in der Flüssigkeit. Wenn die Flüssigkeit unterkühlt wird, werden einige große Gruppen stabil und wachstumsfähig. Diese stabilen Atomgruppen werden Kristallisationszentren (Kerne) genannt. Um den Schmelzprozess durchzuführen, ist eine gewisse Überhitzung über die Gleichgewichtstemperatur, d. h. ein thermodynamisches Potential, erforderlich. Oberhalb der Gleichgewichtstemperatur ist ein flüssiges Metall stabiler, es hat eine geringere Reserve an freier Energie. Unterhalb dieser Temperatur ist das feste Metall stabiler. Bei Gleichgewichtstemperatur sind die freien Energien des flüssigen und des festen Zustands gleich, daher können bei dieser Temperatur beide Phasen (flüssig und fest) gleichzeitig und darüber hinaus für unendlich lange Zeit koexistieren. Die Gleichgewichtstemperatur liegt sehr nahe am Schmelzpunkt Tm, mit dem sie oft verglichen wird. Beim Abkühlen wird der Übergang von einem flüssigen in einen festen Zustand von der Bildung eines Kristallgitters, d. h. Kristallisation, begleitet. Um eine Kristallisation zu induzieren, muss das flüssige Metall auf eine Temperatur unter seinem Schmelzpunkt unterkühlt werden.

Flüssigkeiten mit einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt werden als Schmelzen bezeichnet. Schmelzen sind metallisch, ionisch, halbleitend, organisch und hochpolymer. Je nachdem, welche chemischen Verbindungen Schmelzen bilden, werden Salz-, Oxid-, Oxid-Silikat- und andere Schmelzen isoliert.

Die meisten Schmelzen enthalten schiefflächige Partikel.

Beim Schmelzvorgang werden chemische Bindungen in Schmelzen modifiziert. Bei Halbleitern wird die Bildung metallischer Leitfähigkeit beobachtet, bei einigen Halogeniden tritt anstelle der Ionenleitfähigkeit eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der Bildung einer Schmelze mit molekularer Zusammensetzung auf. Auch das Temperaturniveau beeinflusst die Art der Bindung in Schmelzen.

Auch die mittlere Koordinationszahl und die Atomabstände sind Charakteristika von Schmelzen. Beim Schmelzen von Metallen nimmt die Koordinationszahl um etwa 10-15% ab. Gleichzeitig bleiben die Atomabstände gleich. Beim Schmelzen von Halbleitern erhöht sich ihre Koordinationszahl um den Faktor 1,5 und der Abstand zwischen den Atomen nimmt ebenfalls zu. Mehrkomponentenschmelzen sind durch metastabile Nichtgleichgewichtszustände gekennzeichnet, die mit der Struktur der anfänglichen festen Phasen zusammenhängen.

In vielen Fällen gibt es eine Verzögerung (Hysterese) in den Eigenschaften von Schmelzen bei Temperaturänderungen. Die Eigenschaften und Strukturen von Schmelzen werden durch folgende Faktoren beeinflusst: Temperatur, Haltezeit, Temperaturschwankungsrate, das Material, aus dem der Behälter besteht, und das Vorhandensein von Verunreinigungen.

Die Zusammensetzung der Schmelzen zeichnet sich durch ihre Komplexität aus. Ionische Schmelzen können einfache oder komplexe Ionen, undissoziierte und polymere Moleküle sowie freie Volumina enthalten. Silikatschmelzen können isolierte Silizium-Sauerstoff-Tetraeder und die von ihnen gebildeten Ketten, Ringe, Netzwerke und Gerüste enthalten.

Ein eindeutiges Modell der Struktur von Schmelzen ist ziemlich schwierig zu erstellen, da Schmelzen verschiedene Arten von Partikeln und Bindungen enthalten. Die Hauptfunktion der Modelle ist die Definition und Interpretation der Eigenschaften von Schmelzen sowie die Berechnung von Eigenschaften.

Schmelzen im metallurgischen Bereich werden in Zwischen-, Neben- und Endprodukte unterteilt. Mit Schmelzen als Elektrolyten werden in der Metallurgie Metalle hergestellt und veredelt sowie Beschichtungen aufgebracht. Viele Legierungen bilden sich als Schmelzen. Aus Schmelzen werden Einkristalle und Epitaxiefilme gezüchtet. Als Katalysatoren werden üblicherweise Metall-, Salz- und Oxidschmelzen eingesetzt. Salzschmelzen werden in Glüh- und Härtebädern, Hochtemperaturbrennstoffzellen, als Wärmeträger, Flussmittel beim Löten und Schweißen von Metallen, Reaktionsmedien in der anorganischen und organischen Synthese sowie als Absorber, Extraktionsmittel usw. verwendet. Einige Schmelzen sind verwendet, um Silikat, Fluorid und andere spezielle Stacks und amorphe Metalle zu erhalten.

9. Kristallisation von Metallen; Keimbildung von Kristallen, kritischer Keim; homogene und heterogene Keimbildung von Kristallen; Kristallwachstum. Kurven Tamman

Kristallisation ist der Prozess des Übergangs eines Metalls von einem flüssigen in einen festen Zustand unter Bildung einer kristallinen Struktur. In der Natur sind alle spontanen Umwandlungen, Kristallisation und Schmelzen, darauf zurückzuführen, dass der neue Zustand unter neuen Bedingungen energetisch stabiler ist und eine geringere Energiereserve hat.

Der Übergang eines Metalls vom flüssigen oder dampfförmigen Zustand in einen festen Zustand unter Bildung einer kristallinen Struktur wird als Primärkristallisation bezeichnet. Die Bildung neuer Kristalle in einem kristallinen Feststoff wird als Sekundärkristallisation bezeichnet. Der Kristallisationsprozess besteht aus zwei gleichzeitig ablaufenden Prozessen der Keimbildung und des Kristallwachstums. Kristalle können spontan Keime bilden – spontane Kristallisation – oder auf vorhandenen fertigen Kristallisationszentren wachsen – nichtspontane Kristallisation.

Sie können den Prozess der Metallkristallisation mit einem Zeitzähler und einem thermoelektrischen Pyrometer überwachen. Zwei unterschiedliche Drähte, die an den Enden verlötet sind, werden in geschmolzenes Metall eingetaucht und der resultierende thermische Strom ist proportional zur Temperatur des Metalls, und die Millivoltmeternadel wird ausgelenkt und zeigt die Temperatur auf einer speziell abgestuften Skala an. Die Pyrometerwerte werden über die Zeit aufgezeichnet und auf Basis der gewonnenen Daten werden Abkühlungskurven in Temperatur-Zeit-Koordinaten aufgezeichnet. Der kritische Punkt ist die Temperatur, die einer Umwandlung im Metall entspricht.

Beim Abkühlen wird der Übergang von einem flüssigen in einen festen Zustand von der Bildung eines Kristallgitters, d. h. Kristallisation, begleitet. Um eine Kristallisation zu induzieren, muss das flüssige Metall auf eine Temperatur unter seinem Schmelzpunkt unterkühlt werden. Beim Erstarren und bei der allotropen Umwandlung im Metall bilden sich zunächst Kristallisationszentren, um die sich Atome gruppieren und das entsprechende Kristallgitter bilden. Der Kristallisationsprozess besteht aus zwei Stufen: der Bildung von Kristallisationszentren und dem Wachstum von Kristallen. In jedem der entstehenden Kristalle sind die kristallographischen Ebenen zufällig orientiert, außerdem können sich die Kristalle während der Primärkristallisation drehen, da sie von Flüssigkeit umgeben sind. Benachbarte Kristalle wachsen aufeinander zu und ihre Kollisionspunkte definieren die Grenzen von Kristalliten (Körnern).

Amorphe Substanzen haben glatte Abkühlungskurven ohne Bereiche und Leisten: Es ist klar, dass diese Substanzen keine Allotropie haben können. Der Mechanismus der Metallkristallisation besteht darin, dass sich bei einer entsprechenden Temperaturabnahme im Inneren des Tiegels mit flüssigem Metall kleine Kristalle zu bilden beginnen, die als Kristallisationszentren oder Keime bezeichnet werden.

Um das Wachstum von Flüssigkristallkristallen zu starten, ist es notwendig, dass die freie Energie des Metalls

verringert. Steigt durch die Kernbildung die freie Energie des Metalls, so löst sich der Kern auf. Die Mindestgröße eines wachstumsfähigen Embryos wird als kritische Größe des Embryos bezeichnet, und ein solcher Embryo wird als stabil bezeichnet.

Je größer der Unterkühlungsgrad ist, der die freie Energie des Metalls senkt, desto kleiner ist die kritische Größe des Kerns.

Kristalle beginnen um die gebildeten Zentren herum zu wachsen. Während Kristalle in dem noch flüssigen Metall wachsen, entstehen immer neue Kristallisationszentren. Jeder der wachsenden neuen Kristalle ist zufällig im Raum ausgerichtet.

Unregelmäßig geformte Kristalle werden Körner oder Kristalle genannt. Festkörper, einschließlich Metalle, die aus einer großen Anzahl von Körnern bestehen, werden als polykristallin bezeichnet.

DV Chernov stellte fest, dass der Kristallisationsprozess aus zwei elementaren Prozessen besteht: der Keimbildung von Kristallisationszentren und dem Wachstum von Kristallen aus diesen Zentren. Viel später stellte Tamman bei der Untersuchung des Kristallisationsprozesses die Abhängigkeit der Anzahl der Kristallisationszentren und der Kristallwachstumsrate vom Grad der Unterkühlung fest.

Während die gebildeten Kristalle frei wachsen, haben sie eine mehr oder weniger regelmäßige geometrische Form. Wenn jedoch wachsende Kristalle kollidieren, wird ihre regelmäßige Form verletzt, da das Wachstum von Flächen in diesen Bereichen aufhört. Das Wachstum setzt sich in jene Richtungen fort, in denen freier Zugang zu der "Fütterungs"-Flüssigkeit besteht. Dadurch erhalten die wachsenden Kristalle, die zunächst eine geometrisch regelmäßige Form haben, nach dem Erstarren eine unregelmäßige äußere Form und werden daher als Kristallite oder Körner bezeichnet.

Das Wachstum von Kernen erfolgt als Ergebnis des Übergangs von Atomen von einer unterkühlten Flüssigkeit zu Kristallen. Der Kristall wächst in Schichten, jede Schicht ist ein Atom dick. Es gibt zwei elementare Prozesse des Kristallwachstums.

Bildung eines zweidimensionalen Embryos.

Wachstum eines zweidimensionalen Kerns durch Zufuhr von Atomen aus einer unterkühlten Flüssigkeit. Nach der Bildung eines zweidimensionalen Kerns auf einer ebenen Fläche geht das weitere Wachstum einer neuen Schicht relativ leicht vonstatten, da Bereiche erscheinen, die zum Fixieren von Atomen geeignet sind, die aus der Flüssigkeit austreten.

10. Barrenstruktur und amorphe Legierungen

Die Struktur eines Stahlbarrens wurde erstmals 1878 von D.K. angegeben. Tschernow. Das Gefüge des Gussbarrens besteht aus drei Hauptzonen. Die erste Zone ist die äußere feinkörnige Kruste, die aus desorientierten kleinen Kristallen – Dendriten – besteht.

Die zweite Barrenzone ist die Zone der säulenförmigen Kristalle. Nach der Bildung der Kruste selbst stellen sich die Bedingungen für die Wärmeabfuhr ein

Bei einer Änderung nimmt der Temperaturgradient ab und der Grad der Überkühlung des Stahls nimmt ab. Die dritte Zone des Barrens ist die Zone gleichachsiger Kristalle.

Die beim Erstarren des Metalls entstehenden Kristalle haben je nach Abkühlgeschwindigkeit, Art und Menge der Verunreinigungen eine unterschiedliche Form. Häufiger bilden sich während des Kristallisationsprozesses verzweigte (baumartige) Kristalle, die aufgrund ihrer Form Dendriten genannt werden, die der Form eines Baumes ähneln. Diese Form von Kristallen erklärt sich dadurch, dass die im flüssigen Metall entstandenen Keime in Richtung eines minimalen Atomabstandes wachsen. So entstehen die Achsen erster Ordnung. Gleichzeitig mit der Verlängerung von Achsen erster Ordnung keimen und wachsen an ihren unter bestimmten Winkeln senkrecht zu ihnen stehenden Kanten Achsen zweiter Ordnung, aus denen bereits Achsen dritter Ordnung wachsen und schließlich Kristalle in Form von Dendriten entstehen. Die dendritische Struktur wird nach speziellem Ätzen von Dünnschliffen sichtbar, da alle Lücken zwischen den Ästen der Dendriten gefüllt sind und meist nur die Verbindungsstellen der Dendriten in Form von Korngrenzen sichtbar sind. Die korrekte Form der Dendriten wird durch die Kollision und Ansammlung von Partikeln in den späteren Phasen des Prozesses verzerrt. Die dendritische Struktur ist charakteristisch für die Makro- und Mikrostruktur von Gussmetall (Legierung).

Beim Kontakt mit der kalten Wand der Form bildet sich eine Zone aus kleinen gleichachsigen Kristallen. Das Volumen von festem Metall ist geringer als das von Flüssigkeit, sodass zwischen der Wand der Form und dem erstarrten Metall ein Luftspalt entsteht; Die Wand selbst erwärmt sich durch den Kontakt mit dem Metall. Dadurch nimmt die Abkühlgeschwindigkeit des Metalls ab, das Kristallwachstum wird gerichtet – sie wachsen von der Wand der Form zur Mitte in Richtung der Wärmeabfuhr und es bildet sich eine Zone säulenförmiger Kristalle. Dieses Phänomen, bei dem lange Kristalle durch die Dicke des Barrens wachsen, wird als Transkristallisation bezeichnet. Die entstehende Zone verlangsamt die Wärmeübertragung nach außen, die Abkühlgeschwindigkeit nimmt ab und es bildet sich eine Zone aus großen, unorientierten Kristallen. Das flüssige Metall enthält eine gewisse Menge an gelösten Gasen, daher befinden sich im Volumen des Barrens beim Abkühlen bei Metallen, die zur Unterkühlung neigen, nur aufsteigende Zweige der Kurven der Anzahl der Kristallisationszentren und der Kristallwachstumsrate erkannt.

Die Größe der bei der Kristallisation gebildeten Körner hängt nicht nur von der Anzahl der spontan erzeugten Kristallisationszentren ab, sondern auch von der Anzahl der im flüssigen Metall immer vorhandenen Partikel unlöslicher Verunreinigungen, die die Rolle von fertigen Kristallisationszentren spielen. Solche Partikel können Oxide, Nitride, Sulfide sein. Kristallisationszentren in einem Metall oder einer Legierung können feste Teilchen sein, die einen kleinen Unterschied in der Größe von Atomen mit Atomen des Grundmetalls haben, ihr Kristallgitter sollte in Struktur und Parametern dem Gitter des kristallisierenden Metalls nahe kommen. Die Wände von Formen und anderen Formen, in denen eine Kristallisation von flüssigem Metall auftritt, weisen Unregelmäßigkeiten und Rauhigkeiten auf. Diese Unregelmäßigkeiten beeinflussen den Kristallisationsprozess, indem sie die Kristallisationsgeschwindigkeit erhöhen. Wenn der Stahl nicht ausreichend desoxidiert ist (der sogenannte kochende Stahl), bilden sich im gesamten Barrenvolumen Gasblasen.

Wenn der Stahl gut desoxidiert ist (ruhiger Stahl), wird er in Formen mit einer isolierten gewinnbringenden Verlängerung gegossen. An dieser Stelle kristallisieren die letzten Anteile des flüssigen Metalls aus. Hier sammeln sich Gase. Dadurch entsteht ein großer Hohlraum, der als Lunker bezeichnet wird. In der Nähe des Schrumpfhohlraums ist das Metall weniger dicht und locker. Daher wird nach dem Walzen von Barren aus ruhigem Stahl der obere (gewinnbringende) Teil des Barrens (etwa 15-20% der Barrenlänge) abgeschnitten. Beim Walzen verändert sich die Form der Primärkristalle des Gussmetalls. Die Dendriten werden verformt, entlang der Richtung des Metallflusses gestreckt und verwandeln sich in Fasern. Die Verbindungen der Kristalle haben eine geringere Festigkeit, daher hat der verformte Stahl entlang der Fasern eine größere Festigkeit und Zähigkeit als quer.

Amorphe Legierungen sind ziemlich oft spröde unter Spannung, aber relativ dehnbar unter Biegung und Druck und können kaltgewalzt werden. Weichmagnetische amorphe Legierungen gibt es in drei Gruppen.

1. Basierend auf Eisen (Fe₈₁Si_{3 5}B_{13 5}C₂) mit hohen Werten der magnetischen Induktion und niedriger Koerzitivkraft.

2. Basierend auf Kobalt (CO₆₆Fe₄(Mo, Si, B)₃₀mit einer relativ niedrigen Sättigungsinduktion, aber guten mechanischen Eigenschaften, niedriger Koerzitivkraft und hoher magnetischer Permeabilität.

3. Eisen-Nickel-Legierungen (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆) mit mittlerer magnetischer Induktion und geringerer Koerzitivfeldstärke als Eisenlegierungen.

Weichmagnetische amorphe Legierungen werden in der Elektrotechnik und der Elektronikindustrie eingesetzt.

11. Modifizierung von Metallen. Standardprüfungen für Zug, Druck, Biegung, Härte, Schlagzähigkeit

Dem flüssigen Metall können Modifikatoren zugesetzt werden, um die gewünschte Struktur des Metalls in Gussteilen zu erhalten. Dies ist der Änderungsprozess.

Nach dem Einflussmechanismus auf den Kristallisationsprozess können Modifikatoren in zwei Gruppen eingeteilt werden:

1) Modifikatoren, die zusätzliche Kristallisationszentren sind;

2) Modifikatoren - Tenside. Diese Modifikatoren lösen sich im flüssigen Metall auf. Der Kristallisationsprozess hängt von den verfügbaren Kristallisationszentren ab. Diese Zentren sind Partikel aus feuerfesten nichtmetallischen Einschlüssen, Oxiden, intermetallischen Verbindungen, die durch Verunreinigungen gebildet werden.

Zu Beginn des Kristallisationsprozesses befinden sich die Zentren im flüssigen Metall und haben die Form fester Einschlüsse. Während der Kristallisation werden Metallatome auf der aktivierten Verunreinigungsoberfläche abgeschieden. Diese Kristallisation wird als heterogen bezeichnet, bei der die Wände der Form die Rolle von Keimen spielen.

Beim Erstarren führt das Vorhandensein von vorgefertigten Kristallisationszentren zu einer Abnahme der Kristallgröße. Der Effekt der Strukturverfeinerung nimmt zu, wenn die strukturelle und dimensionale Übereinstimmung der Verunreinigungsphase mit dem Grundmetall beobachtet wird, was zur Konjugation ihrer Kristallgitter beiträgt.

Flüssiges Metall enthält gelöste Verunreinigungen, die zu einer Verfeinerung der Struktur führen. Wenn sie adsorbiert werden, verringern sie die Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff und die lineare Geschwindigkeit des Kristallwachstums.

Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Metalls wird durch eine Verfeinerung der Struktur erleichtert. Um die Struktur von Legierungen zu verfeinern, wird ein technologischer Vorgang verwendet – die Modifikation. Bei diesem Vorgang werden der flüssigen Legierung vor dem Gießen spezielle Zusatzstoffe – Modifikatoren – zugesetzt. Zu diesem Zweck werden Tenside sowie Elemente verwendet, die feuerfeste Feinpartikel bilden. Legierungen werden Modifikatoren zugesetzt.

Eine Erhöhung der Temperatur des flüssigen Metalls vor dem Gießen führt zu einer Vergröberung des Korns während der Kristallisation und umgekehrt kommt es durch Abkühlung des Metalls zu einer Abnahme der Korngröße. Das Abkühlen ist wirksam in Gegenwart von Modifikatoren, die zusammen mit struktureller und dimensionaler Übereinstimmung mit dem Grundmetall Phasen bilden.

Standardtests

Der statische Zugversuch ist ein Verfahren zur mechanischen Prüfung von Metallen. Für statische Prüfungen werden Rundproben des geprüften Metalls oder Flachproben für Blechmaterialien hergestellt. Die Proben bestehen aus einem Arbeitsteil und Köpfen, die dazu bestimmt sind, in den Griffen einer Zugprüfmaschine befestigt zu werden. Stichprobengrößen sind standardisiert. Beim Dehnen verlängert sich die Probe. Einige Metalllegierungen haben einen linearen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null (werden zur Herstellung von Präzisionsinstrumenten, Radioröhren verwendet).

Eine runde oder flache Probe in Standardgrößen wird in die Klemmen der Zugprüfmaschine eingebaut, und bei zunehmender Belastung wird die Längenänderung überwacht. Das Schreibgerät der Maschine nimmt das Dehnungsdiagramm auf, das die mechanischen Eigenschaften bestimmt.

Härte ist die Eigenschaft eines Materials, einer Kontaktverformung zu widerstehen, die Fähigkeit eines Materials, dem Eindringen eines festen Körpers – eines Eindringkörpers – in seine Oberfläche zu widerstehen. Eindringkörper – eine Diamantspitze in Form eines Kegels. Die Härteprüfung ist die am besten zugängliche Art der mechanischen Prüfung.

Härteprüfungen sind schnell durchgeführt und erfordern keine aufwändigen Proben, sie erlauben die Beurteilung anderer mechanischer Eigenschaften von Metallen (z. B. Zugfestigkeit). Einkerbungsmethoden mit harter Spitze sind üblich.

Bestimmung der Härte nach der Rockwell-Methode. In die Oberfläche des Prüfkörpers wird ein Stahl- oder Diamantkegel mit einem Winkel von 120° oder eine gehärtete Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1,59 mm eingepresst und die Härte des Materials aus der Eindringtiefe in die Oberfläche abgeschätzt.

Auf dem Rockwell-Härteprüfgerät werden drei Skalen angewendet: A (schwarz) - die Prüfung wird mit einem Diamantkegel durchgeführt, die Härte wird durch HRA angezeigt; B (rot) - der Test wird mit einer Kugel durchgeführt, die Härte wird mit H13B angegeben; C (schwarz) - der Test wird mit einem Stahlkegel durchgeführt, die Härte wird durch HRC angegeben.

Bestimmung der Härte nach der Vickers-Methode. In die Oberfläche der Probe wird eine tetraedrische Diamantpyramide eingedrückt und entlang der Diagonalen des Eindrucks die Härte bestimmt.

Das Vickers-Verfahren ermöglicht es, die Härte von weichen und harten Metallen und Legierungen sowie die Härte von dünnen Oberflächenschichten zu messen.

Schlagtests messen die Fähigkeit eines Metalls, Schlagbelastungen zu widerstehen, denen Maschinenteile während des Betriebs ausgesetzt sind.

Schlagversuche werden an genormten Probekörpern auf sogenannten Pendelschlagwerken durchgeführt.

Schlagfestigkeit – die für den Schlagbruch der Probe aufgewendete Arbeit und bezogen auf ihre Querschnittsfläche an der Kerbe. Schlagprüfungen werden durchgeführt, um die Neigung von Materialien zum Sprödbruch zu beurteilen.

Biegen ist eine sanftere Art der Belastung als Spannung. Kunststoffarme Materialien werden auf Biegung getestet. Die Tests werden an Proben mit großer Länge, zylindrischer oder rechteckiger Form durchgeführt. Sie sind auf zwei Stützen installiert. Die ermittelten Eigenschaften sind Zugfestigkeit und Durchbiegung.

12. Phasenumwandlungen im Festkörper

Eine Phase ist ein homogener Systemteil, der von einem anderen Systemteil (Phase) durch eine Grenzfläche getrennt ist, bei deren Durchgang sich die chemische Zusammensetzung oder Struktur schlagartig ändert.

Während der Kristallisation eines reinen Metalls gibt es zwei Phasen im System: flüssig (geschmolzenes Metall) und fest (Körner aus erstarrtem Metall). In harten Legierungen können Phasen reine Metallkörner, Körner einer festen Lösung und Körner chemischer Verbindungen sein. Viele Metalle im flüssigen Zustand lösen sich in jedem Verhältnis ineinander auf. Als Ergebnis der Auflösung wird eine homogene flüssige Lösung mit einer gleichmäßigen Verteilung von Atomen eines Metalls unter den Atomen eines anderen Metalls gebildet. Aufgrund dieser Wechselwirkung greifen sie in der Praxis auf ihr Schmelzen zurück, um die Substanzen in der Legierung gleichmäßig zu verteilen. Einige Metalle, die sich in ihrer Atomgröße stark unterscheiden, lösen sich im flüssigen Zustand nicht auf, während andere Metalle sich im flüssigen Zustand nur begrenzt auflösen. Bei der Bildung von Legierungen während ihrer Erstarrung sind vielfältige Wechselwirkungen der Komponenten möglich.

Wenn während des Kristallisationsprozesses die Wechselwirkungskraft zwischen homogenen Atomen größer ist als die Wechselwirkungskraft zwischen heterogenen Atomen, entsteht nach der Kristallisation eine mechanische Mischung, die aus Körnern aus reinen Metallen besteht. In diesem Fall werden in der Hartlegierung Körner eines reinen Metalls und daneben Körner eines anderen reinen Metalls vorhanden sein. Diese Form der Wechselwirkung tritt auf, wenn ein großer Unterschied in den Eigenschaften der in der Legierung enthaltenen Metalle besteht.

Eine weitere Form der Wechselwirkung zwischen den Stoffen, aus denen die Legierung besteht, ist die Bildung fester Lösungen.

Feste Lösungen sind feste Phasen, in denen sich die Verhältnisse zwischen den Komponenten ändern können. In einer festen Lösung sind die Atome, genau wie in reinen Metallen, regelmäßig im Raum angeordnet und bilden ein Kristallgitter. Darin unterscheiden sie sich von flüssigen Lösungen. In einer festen Lösung behält einer der in der Legierung enthaltenen Stoffe sein inhärentes Kristallgitter und der zweite Stoff, der seine kristalline Struktur verloren hat, verteilt sich in Form einzelner Atome im Kristallgitter des ersten. Der erste Stoff ist ein Lösungsmittel und der zweite ist löslich. Abhängig von der Art der Atomverteilung des löslichen Elements werden interstitielle, substitutionelle und subtraktive feste Lösungen unterschieden; Unabhängig von der Art der festen Lösung ist ihnen gemeinsam, dass sie einphasig sind und in einem Konzentrationsbereich vorliegen. Feste Lösungen zeichnen sich durch eine metallische Bindungsart aus.

Einige Metalloide haben die kleinste Atomgröße – Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Bor, die mit Metallen interstitielle feste Lösungen bilden. Aber auch bei diesen Elementen übersteigt die Atomgröße geringfügig die Größe der interatomaren Lücken im Kristallgitter von Metallen, daher wird das Gitter bei der Bildung interstitieller Mischkristalle verzerrt und es entstehen Spannungen darin. In diesem Fall darf die Konzentration der interstitiellen festen Lösung nicht hoch sein. Es überschreitet selten 12-1 %. In festen Substitutionslösungen ersetzen Atome des löslichen Elements Atome des unedlen Metalls. Fremdatome können Lösungsmittelatome an jedem Ort ersetzen, daher werden solche Lösungen als ungeordnete feste Lösungen bezeichnet. Die Größe der Atome des löslichen Elements unterscheidet sich immer von der Größe des Lösungsmittelatoms (sie sind größer oder kleiner), daher wird bei der Bildung eines Substitutionsmischkristalls das Kristallgitter des Lösungsmittelmetalls verzerrt, ohne seine Grundstruktur zu verlieren . Ersatzfeste Lösungen können begrenzt oder unbegrenzt sein. Eine der Bedingungen für unbegrenzte Löslichkeit ist der Größenfaktor. Je größer der Unterschied in den Atomradien ist, desto geringer ist die Löslichkeit.

Wenn die Temperatur in substitutionellen festen Lösungen sinkt, kommt es zu einem Prozess der Umverteilung von Atomen, wodurch die Atome des gelösten Elements genau definierte Positionen im Lösungsmittelgitter einnehmen. Solche festen Lösungen werden geordnete feste Lösungen genannt, und ihre Struktur wird Überstruktur genannt.

Einige Elemente verändern ihre Kristallstruktur in Abhängigkeit von Änderungen der äußeren Bedingungen – Temperatur und Druck. Im festen Zustand haben Lithium und Molybdän ein kubisch raumzentriertes Gitter; Aluminium, Silber, Gold, Platin – flächenzentriert und Magnesium, Zirkonium – sechseckig. Wenn sich die Temperatur ändert, kann sich herausstellen, dass für dasselbe Metall ein anderes Gitter stabiler ist als das, das sich bei einer anderen Temperatur befand. Dieses Phänomen wird Polymorphismus genannt. Jeder Gittertyp stellt eine allotrope Modifikation oder Modifikation dar. Bei polymorphen Umwandlungen von Metallen ist die Temperatur von vorrangiger Bedeutung. Die Umwandlung einer allotropen Form in eine andere erfolgt bei einer konstanten Temperatur, der sogenannten polymorphen Umwandlungstemperatur, und wird von einem thermischen Effekt begleitet, ähnlich den Phänomenen des Schmelzens-Erstarrens oder der Verdampfungs-Kondensation. Dies liegt daran, dass eine gewisse Energiemenge aufgewendet werden muss, um das Kristallgitter neu anzuordnen.

13. Elastische und plastische Verformung von Metallen

Verformung ist eine Veränderung der Form und Größe des Körpers, Verformung kann durch die Einwirkung äußerer Kräfte sowie anderer physikalischer und mechanischer Prozesse verursacht werden, die im Körper ablaufen. Verformungen umfassen Phänomene wie Scherung, Druck, Zug, Biegung und Torsion.

Die elastische Verformung ist eine Verformung, die verschwindet, nachdem die Belastung entfernt wurde. Die elastische Verformung verursacht keine bleibenden Änderungen in den Eigenschaften und der Struktur des Metalls; Unter der Wirkung der angelegten Last tritt eine unbedeutende reversible Verschiebung von Atomen auf.

Wenn ein Einkristall gedehnt wird, vergrößern sich die Abstände zwischen den Atomen, und wenn er zusammengedrückt wird, nähern sich die Atome einander an. Wenn die Atome aus der Gleichgewichtslage verschoben werden, wird das Gleichgewicht der Anziehungs- und elektrostatischen Abstoßungskräfte gestört. Nach dem Entfernen der Belastung kehren die verschobenen Atome aufgrund der Einwirkung anziehender oder abstoßender Kräfte in ihren ursprünglichen Gleichgewichtszustand zurück und die Kristalle nehmen ihre ursprünglichen Abmessungen und ihre ursprüngliche Form an.

Die Verformung kann elastisch sein, die nach Entlastung verschwindet, und plastisch, die nach Entlastung zurückbleibt.

Die kleinste Spannung verursacht eine Verformung, und die anfänglichen Verformungen sind immer elastisch und ihre Größe hängt direkt von der Spannung ab. Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften sind Festigkeit, Plastizität, Elastizität.

Plastizität ist wichtig, sie bestimmt die Möglichkeit, Produkte durch verschiedene Methoden der Druckbehandlung herzustellen. Diese Verfahren basieren auf der plastischen Verformung des Metalls.

Materialien mit erhöhter Plastizität sind weniger empfindlich gegenüber Spannungskonzentratoren. Dazu erfolgt eine vergleichende Bewertung verschiedener Metalle und Legierungen sowie deren Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Produkten.

Die physikalische Natur der Verformung von Metallen

Unter der Einwirkung von Spannungen kommt es zu einer Veränderung der Form und Größe des Körpers. Spannungen entstehen, wenn äußere Zug- und Druckkräfte auf den Körper einwirken, sowie durch Phasenumwandlungen und einige andere physikalisch-chemische Prozesse, die mit einer Volumenänderung verbunden sind. Ein Metall, das sich in einem belasteten Zustand befindet, erfährt unter jeder Art von Belastung immer Normal- und Tangentialspannungen, Verformungen unter Einwirkung von Spannungen können elastisch und plastisch sein. Kunststoff entsteht unter Einwirkung von Schubspannungen.

Elastisch - Dies ist eine solche Verformung, die nach Beendigung der die Spannung verursachenden Aktion vollständig verschwindet. Bei elastischer Verformung ändern sich die Abstände zwischen Atomen im Kristallgitter des Metalls.

Mit zunehmendem Abstand zwischen den Atomen nehmen die Kräfte der gegenseitigen Anziehung der Atome zu. Wenn die Spannung unter der Wirkung dieser Kräfte entfernt wird, kehren die Atome in ihre ursprüngliche Position zurück. Die Gitterverzerrung verschwindet, der Körper stellt seine Form und Abmessungen vollständig wieder her. Erreichen die Normalspannungen den Wert der Atombindungskräfte, so kommt es zum Sprödbruch durch Trennung. Elastische Verformung wird durch kleine Tangentialspannungen verursacht.

Plastische Verformung ist die Verformung, die nach Beendigung der Einwirkung der sie verursachenden Spannungen verbleibt. Bei der plastischen Verformung im Kristallgitter eines Metalls kommt es unter Einwirkung von Tangentialspannungen zu einer irreversiblen Verschiebung von Atomen. Bei niedrigen Spannungen werden die Atome leicht verschoben und kehren nach Wegnahme der Spannung in ihre ursprüngliche Position zurück. Mit zunehmender Schubspannung wird eine irreversible Verschiebung von Atomen um den Gitterparameter beobachtet, d.h. es kommt zu einer plastischen Verformung.

Bei einem Anstieg der Schubspannungen über einen bestimmten Wert hinaus wird die Verformung irreversibel. Bei Entlastung wird der elastische Anteil der Verformung eliminiert. Ein Teil der Verformung, der als plastisch bezeichnet wird, bleibt bestehen.

Bei der plastischen Verformung verändern sich die Struktur des Metalls und seine Eigenschaften irreversibel. Die plastische Verformung erfolgt durch Gleiten und Verzwillingung.

Das Gleiten im Kristallgitter verläuft entlang von Ebenen und Richtungen mit dichter Atompackung, wo der Scherwiderstand am geringsten ist. Dies erklärt sich dadurch, dass der Abstand zwischen benachbarten Atomebenen am größten, d.h. die Verbindung zwischen ihnen am kleinsten ist. Die Gleitebenen und die in diesen Ebenen liegenden Gleitrichtungen bilden ein Gleitsystem. In Metallen können ein oder mehrere Gleitsysteme gleichzeitig wirken.

Metalle mit einem kubischen Kristallgitter (fcc und bcc) haben eine hohe Plastizität, in ihnen gleitet es in viele Richtungen.

Der Gleitvorgang ist nicht als gleichzeitige Bewegung eines Teils des Kristalls relativ zu einem anderen darzustellen, er erfolgt durch die Bewegung von Versetzungen im Kristall. Die Verschiebung einer Versetzung in der Gleitebene des MM durch den Kristall führt zu einer Verschiebung des entsprechenden Teils des Kristalls um einen Netzebenenabstand, und es entsteht eine Stufe auf der rechten Seite der Kristalloberfläche.

14. Brucharten: Konzepte des duktilen und spröden Bruchs

Ermüdung ist die Zerstörung von Metallen unter Einwirkung wiederholter Belastungen. Es tritt an den Quellen der Automatisierung auf. Die meisten Teileausfälle werden durch Materialermüdung verursacht. Ermüdungsbruch entwickelt sich in Teilen, die bei Spannungen betrieben werden, die geringer sind als die Streckgrenze des Materials.

Elastisch-plastische Verformung kann bei ausreichend hohen Spannungen zur Zerstörung des Körpers führen. Der Zerstörungsprozess besteht aus mehreren Stufen: der Entstehung von Mikrorissen, der Bildung von Makrorissen und der Ausbreitung eines Makrorisses über den gesamten Abschnitt des Körpers.

Generell wird zwischen duktilen und spröden Brüchen unterschieden. Die Art der Zerstörung hängt von vielen Faktoren ab: der Zusammensetzung des Metalls, seinem Gefügezustand, den Belastungsbedingungen und der Temperatur. Die Art des Bruchs, duktil oder spröde, wird durch die Untersuchung von Brüchen bestimmt. Der Sprödbruch ist durch einen Bachbruch gekennzeichnet. Der duktile Bruch tritt durch Scherung unter Einwirkung von Scherspannungen auf und wird von einer erheblichen plastischen Verformung begleitet. Der duktile Bruch ist durch einen faserigen (matten) Bruch eines Teils oder einer Probe gekennzeichnet. Sprödbruch tritt unter Einwirkung normaler Zugspannungen auf, wodurch sich ein Körperteil von einem anderen ohne erkennbare Spuren makroplastischer Verformung trennt.

Sprödbruch ist durch einen kristallinen (glänzenden) Bruch gekennzeichnet. Dem Sprödbruch geht eine plastische Verformung voraus, bis der Riss eine kritische Größe erreicht, und dann ein spröder, versetzungsfreier Bruch. Sprödbruch ist ein spontaner Prozess.

Die Entstehung von Mikrorissen bei duktilen und spröden Brüchen erfolgt durch die Ansammlung von Versetzungen vor Korngrenzen oder anderen Hindernissen (nichtmetallische Einschlüsse, Karbidpartikel, Grenzflächengrenzen), was zu Spannungskonzentrationen führt. Bei der Analyse der Mikrostruktur wird zwischen transkristallinen (entlang des Kornkörpers) und interkristallinen (entlang der Korngrenzen) Brüchen unterschieden. Die Zerstörung von Metall unter Betriebsbedingungen von Bauwerken und Maschinen kann nicht nur duktil oder spröde, sondern auch gemischt – duktil-spröde – sein.

Bei Ermüdung und Einzelbelastung werden Materialien unterschiedlich zerstört. Ein Bruch ist gekennzeichnet durch das Fehlen äußerer Anzeichen einer plastischen Verformung bei einem Bruch, d.h. im Allgemeinen hat ein Ermüdungsbruch den Charakter eines Sprödbruchs. In Mikrovolumina und dünnen Schichten des Querschnitts einer belasteten Probe kann es jedoch zu plastischen Verformungen kommen, die zur Rissbildung führen. Diese Risse, die sich allmählich entwickeln und ausbreiten, führen zur endgültigen Zerstörung des Materials. Bei Ermüdungsbelastung kann der Beginn der plastischen Verformung durch die Bewegung von Versetzungen bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze liegen. Mit zunehmender Belastungswechselzahl nimmt die Versetzungsdichte vor allem in den Randschichten zu. Dünne Gleitlinien auf der Oberfläche verwandeln sich in charakteristische Streifen, deren Profil sich in Form von Erhebungen und Vertiefungen darstellt. Die Tiefe der Kavitäten kann je nach Testzeit 10-30 µm erreichen. Bei der Ausbildung stabiler Gleitbänder wechseln sich Bereiche mit hoher und niedriger Versetzungsdichte ab.

Ermüdungsrisse entstehen in Oberflächenvertiefungen. Einer der möglichen Mechanismen für die Bildung von Vorsprüngen und Hohlräumen ist mit der kreisförmigen Bewegung von Schraubenversetzungen verbunden. Eine Schraubenversetzung bewegt sich entlang einer geschlossenen Kontur mit Hilfe des Quergleitens von einer Ebene zur anderen. Als Ergebnis erreicht die Versetzung die Oberfläche, auf der Vorsprünge und Vertiefungen gebildet werden.

Mikrorisse unter zyklischer Belastung werden in der Anfangsphase der Prüfung durch das Einströmen von Leerstellen und die anschließende Bildung und Koaleszenz von Mikroporen gebildet. In der Probe kann sich eine Vielzahl von Mikrorissen bilden. Aber in Zukunft entstehen nicht alle Mikrorisse, sondern nur noch die, die die schärfsten Spitzen haben und im Verhältnis zu den einwirkenden Spannungen am günstigsten liegen. Der längste, schärfste und tiefste Riss, der sich über den Probenquerschnitt ausbreitet, führt zur endgültigen Zerstörung der Probe: Das Vorhandensein einer Zone mit fortschreitendem Riss und einer Zone mit endgültigem Bruch ist typisch für den Ermüdungsbruch der Probe. In der Zone eines fortschreitend wachsenden Risses werden Streifen in Form von gekrümmten Linien beobachtet. Die Bänder entstehen als Ergebnis von Rucken und Verzögerungen in der Bewegung eines Risses aufgrund der Verhärtung des Metalls an seiner Basis und der Ausdehnung seiner Vorderseite. Der Prozess der Zerstörung unter zyklischer Belastung wird maßgeblich durch Spannungskonzentratoren beeinflusst. Spannungskonzentratoren können konstruktiv (scharfe Übergänge von Abschnitt zu Abschnitt), technologisch (Kratzer, Risse, Gefahren durch die Schneide), metallurgisch (Poren, Schalen) sein. Unabhängig von ihrer Herkunft reduzieren Belastungskonzentratoren teilweise die Dauerfestigkeit bei gleicher Wechselbelastung. Um die Auswirkung eines Spannungskonzentrators auf die Ermüdung zu beurteilen, werden glatte und gekerbte Proben unter einem symmetrischen Spannungszyklus getestet. Der Einschnitt an der Probe erfolgt in Form einer scharfen kreisförmigen Hinterschneidung.

15. Elektrische Eigenschaften von Leitermaterialien

Als Leitermaterialien werden reine Metalle und Metalllegierungen verwendet. Mit Ausnahme von Quecksilber haben reine Metalle die größte Leitfähigkeit. Kupfer und Aluminium werden zur Herstellung von Wickel-, Montage- und Installationskabeln und -leitungen verwendet. Aluminium gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Seine Dichte beträgt 2,7 g/cm3. Verfügbarkeit, hohe Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion haben eine breite Verwendung von Aluminium in der Elektrotechnik ermöglicht. Die Nachteile von Aluminium sind eine geringe mechanische Zugfestigkeit und eine erhöhte Weichheit auch bei hartgezogenem Aluminium. Aluminium ist ein silberfarbenes oder silberweißes Metall. Sein Schmelzpunkt liegt bei 658–660 °C.

Blanke Aluminiumdrähte können ziemlich lange funktionieren, da Aluminium in kurzer Zeit mit einem dünnen Oxidfilm überzogen wird. Dies dient als Schutz vor Sauerstoff.

Der Oxidfilm auf Aluminiumdrähten hat einen erheblichen elektrischen Widerstand, und daher werden an den Verbindungsstellen von Aluminiumdrähten große Übergangswiderstände gebildet. Die Fugen werden mit Vaseline gereinigt, um die Einwirkung von Sauerstoff auf Aluminium zu verhindern.

Beim Benetzen der mechanisch hergestellten Verbindungsstellen von Aluminiumdrähten mit anderen Drähten aus anderen Metallen (Kupfer, Eisen) (Schraubverbindungen) werden galvanische Paare mit einer bestimmten elektromotorischen Kraft gebildet. In diesem Fall wird der Aluminiumdraht unter dem Einfluss von lokalem Strom zerstört.

Um die Bildung von galvanischen Dämpfen in feuchter Atmosphäre zu verhindern, müssen die Verbindungsstellen mit anderen Drähten aus anderen Metallen sorgfältig durch Lackieren und andere Methoden vor Feuchtigkeit geschützt werden.

Stickoxide (NO), Chlor (Cl), Schwefeldioxid (SCy, Salz- und Schwefelsäure und andere Mittel) verursachen eine direkte Korrosion von Aluminium.Zuverlässige Drahtverbindungen untereinander sowie mit Drähten aus anderen Metallen werden hergestellt Kalt- oder Heißschweißen.Je höher die chemische Reinheit von Aluminium ist, desto besser ist es korrosionsbeständig.Daher werden die reinsten Aluminiumsorten mit einem Gehalt an reinem Metall von 99,5% zur Herstellung von Elektroden in elektrischen Kondensatoren zur Herstellung von Aluminium verwendet Folien und Wickeldrähte mit kleinen Durchmessern von 0,05-0,08 mm Es wird leitfähiges Aluminium verwendet, das mindestens 99,7 % reines Metall enthält Aluminium wird zur Herstellung von Drähten verwendet

mit einem reinen Metallgehalt von mindestens 99,5 %. Aluminiumdraht wird durch Ziehen und Walzen hergestellt. Es gibt drei Arten von Aluminiumdraht: AM (weich geglüht), APT (halbhart) und AT (hart ungeglüht). Der Draht wird mit einem Durchmesser von 0,08 bis 10 mm hergestellt.

Halbleiter stellen ein weites Feld von Materialien dar, die sich durch unterschiedlichste elektrische und physikalische Eigenschaften sowie eine große Vielfalt an chemischer Zusammensetzung voneinander unterscheiden, die verschiedene Zwecke in ihrer technischen Verwendung bestimmen. Halbleiter lassen sich nach ihrer chemischen Natur in die folgenden vier Hauptgruppen einteilen.

1. Kristalline Halbleitermaterialien, die aus Atomen und Molekülen eines Elements aufgebaut sind.

2. Oxidkristalline Halbleitermaterialien, dh Materialien aus Metalloxiden.

3. Kristalline Halbleitermaterialien auf Basis von Verbindungen von Atomen der dritten und fünften Gruppe des Systems der Elemente des Periodensystems.

4. Kristalline Halbleitermaterialien auf Basis von Schwefel-, Selen-, Kupfer- und Bleiverbindungen – sie werden Sulfide, Selenide genannt.

Siliziumkarbid gehört zur ersten Gruppe der Halbleitermaterialien und ist das am weitesten verbreitete Einkristallmaterial. Dieses Halbleitermaterial ist eine Mischung aus vielen kleinen Kristallen, die willkürlich miteinander verlötet sind. Siliziumkarbid entsteht bei hoher Temperatur, wenn Graphit und Silizium kombiniert werden. Es wird in Fotozellen, Dioden verwendet.

Für die Praxis sehr wichtig ist die Möglichkeit, die Betriebstemperatur der Isolierung zu erhöhen. Bei elektrischen Maschinen und Apparaten ermöglicht eine Erhöhung der Erwärmung, die meist gerade durch elektrische Isolationsmaterialien begrenzt wird, bei gleichen Abmessungen mehr Leistung zu erhalten oder bei gleichbleibender Leistung Größe und Kosten des Produktes zu reduzieren.

GOST sieht die Einteilung von Elektroisolierstoffen für elektrische Maschinen, Transformatoren und Apparate in Wärmebeständigkeitsklassen vor, für die die höchstzulässigen Betriebstemperaturen festgelegt sind, wenn diese Materialien in elektrischen Allzweckgeräten verwendet werden, die im Normalbetrieb lange Zeit betrieben werden Bedingungen für diese Art von elektrischen Geräten.

Bei diesen Temperaturen ist eine angemessene Lebensdauer der elektrischen Ausrüstung gewährleistet.

Klasse Y umfasst Faserstoffe auf Zellulose- und Seidenbasis (Garne, Gewebe, Bänder, Papiere, Pappen, Holz usw.), sofern sie nicht imprägniert und in eine flüssige elektrische Isolierschicht getaucht sind.

16. Methoden zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften

Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Kupfer, Aluminium) werden in der Elektrotechnik für den Bau von Stromleitungen und Legierungen mit hohem elektrischem Widerstand für Glühlampen elektrischer Heizgeräte verwendet.

Thermische Eigenschaften von Dielektrika: Hitzebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung.

Unter Hitzebeständigkeit versteht man die Fähigkeit von elektrisch isolierenden Materialien und Produkten, hohen Temperaturen für einige Zeit standzuhalten, ohne dass ihnen Schaden zugefügt wird. Die Hitzebeständigkeit anorganischer Dielektrika wird durch den Beginn einer signifikanten Änderung der elektrischen Eigenschaften bestimmt. Und die Hitzebeständigkeit organischer Dielektrika wird durch das Einsetzen mechanischer Zug- oder Biegeverformungen, das Eintauchen einer Nadel in das unter Druck stehende Material beim Erhitzen und durch elektrische Eigenschaften bestimmt.

Die thermische Alterung der Isolierung ist eine Verschlechterung der Qualität der Isolierung, die durch längere Einwirkung erhöhter Temperaturen verursacht wird.

Die Alterungsrate wird durch die Temperatur beeinflusst, bei der die Isolierung von elektrischen Maschinen und anderen elektrisch isolierenden Strukturen arbeitet.

Die Alterungsgeschwindigkeit wird auch durch Änderungen des Luftdrucks oder der Sauerstoffkonzentration, das Vorhandensein von Ozon, chemische Reagenzien, die die Alterung verlangsamen oder beschleunigen, beeinflusst. Thermische Alterung wird beschleunigt durch Einwirkung von UV-Strahlen, Einwirkung eines elektrischen Feldes, mechanische Beanspruchung.

GOST sieht die Einteilung von Elektroisolierstoffen für elektrische Maschinen, Transformatoren und Apparate in Wärmebeständigkeitsklassen vor. Bei akzeptablen Temperaturen ist eine angemessene Lebensdauer der elektrischen Ausrüstung gewährleistet.

Klasse Y: Fasermaterialien auf Zellulose- und Seidenbasis, nicht imprägniert oder eingetaucht in eine flüssige elektrische Isolierschicht.

Klasse A: Organische Faserstoffe, die mit imprägnierten Lacken bearbeitet und in flüssiges Elektroisoliermaterial getaucht, d. h. vor Luftsauerstoff geschützt sind.

Klasse E: Kunststoffe mit organischen Füllstoffen und duroplastischen Bindemitteln wie Phenol-Formaldehyd und ähnlichen Harzen, Isolierung von Lackdrähten auf Polyurethan- und Epoxidlacken. Die Klassen Y, A, E umfassen rein organische Elektroisolierstoffe.

Die Durchschlagsfestigkeit wird bestimmt durch die Durchbruchspannung bezogen auf den dielektrischen Strom an der Durchbruchstelle.

Der Zusammenbruch flüssiger Dielektrika erfolgt durch thermische Ionisationsprozesse.

Der Hauptzerstörungsfaktor ist das Vorhandensein von Fremdverunreinigungen.

Das Vorhandensein von Verunreinigungen erschwert die Erstellung einer Abbautheorie für diese Substanzen. Daher werden die Ideen der Theorie des elektrischen Zusammenbruchs auf Flüssigkeiten angewendet, die maximal von Verunreinigungen gereinigt sind.

Bei hohen elektrischen Feldstärken können Elektronen aus dem Metall der Elektroden herausgeschleudert und die Moleküle der Flüssigkeit selbst durch Aufprall geladener Teilchen zerstört werden. Dabei erklärt sich die höhere Durchschlagsfestigkeit von flüssigen Dielektrika im Vergleich zu gasförmigen Dielektrika durch die deutlich kürzere mittlere freie Weglänge der Elektronen.

Der Zusammenbruch von Flüssigkeiten mit Gaseinschlüssen erklärt sich durch eine lokale Überhitzung der Flüssigkeit (aufgrund der in relativ leicht ionisierbaren Gasblasen freigesetzten Energie), die zur Bildung eines Gaskanals zwischen den Elektroden führt.

Das Vorhandensein von Wasser in einem flüssigen Dielektrikum verringert dessen Durchschlagsfestigkeit. Wasser mit normaler Temperatur ist in Form von winzigen Tröpfchen im Dielektrikum enthalten. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes werden die Tröpfchen polarisiert und bilden Ketten mit erhöhter Leitfähigkeit zwischen den Elektroden, entlang derer ein elektrischer Durchschlag auftritt.

Es wird eine eigentümliche Temperaturabhängigkeit der elektrischen Festigkeit eines flüssigen Dielektrikums, das Wasser enthält, beobachtet. Mit steigender Temperatur geht Wasser in den Zustand einer molekularen Lösung über, in der es wenig Einfluss auf die elektrische Festigkeit hat. Die elektrische Festigkeit des flüssigen Dielektrikums steigt bis zu einem bestimmten Maximum an. Eine weitere Abnahme der elektrischen Festigkeit wird durch das Phänomen des Flüssigkeitssiedens erklärt.

Eine Erhöhung der elektrischen Festigkeit von Transformatoröl bei niedrigen Temperaturen ist mit einer Erhöhung der Viskosität des Öls und niedrigeren Werten der Dielektrizitätskonstante von Eis im Vergleich zu Wasser verbunden.

Feste Einschlüsse (Ruß, Fasern) verzerren das elektrische Feld innerhalb der Flüssigkeit und führen auch zu einer Abnahme der elektrischen Festigkeit dielektrischer Flüssigkeiten.

Die Reinigung flüssiger Dielektrika von Verunreinigungen erhöht die Durchschlagsfestigkeit erheblich. Beispielsweise hat unraffiniertes Transformatorenöl eine elektrische Festigkeit von etwa 4 MV/m; Nach gründlicher Reinigung steigt sie auf 20-25 MV / m.

Der Durchbruch flüssiger Dielektrika wird wie Gase durch die Form der Elektroden beeinflusst: Mit zunehmendem Grad der Inhomogenität des elektrischen Feldes nimmt die Durchbruchspannung bei gleichen Abständen ab. In ungleichmäßigen elektrischen Feldern sowie in Gasen kann es zu einem unvollständigen Durchschlag kommen – Korona. Eine Langzeitkorona in flüssigen Dielektrika ist nicht akzeptabel, da sie zur Zersetzung der Flüssigkeit führt.

Die Frequenz des Stroms beeinflusst die Spannungsfestigkeit.

17. Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Legierungen

Die Wärmekapazität ist die Fähigkeit eines Stoffes, beim Erhitzen Wärme aufzunehmen. Sein Merkmal ist die spezifische Wärmekapazität – die Energiemenge, die eine Masseneinheit absorbiert, wenn sie um ein Grad erhitzt wird. Die Möglichkeit von Rissen im Metall hängt von der Größe der Wärmeleitfähigkeit ab. Bei geringer Wärmeleitfähigkeit steigt die Gefahr von Rissen. So haben legierte Stähle eine fünfmal geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und Aluminium. Die Größe der Wärmekapazität beeinflusst die Höhe des Brennstoffverbrauchs, um das Werkstück auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen.

Bei Metalllegierungen liegt die spezifische Wärmekapazität im Bereich von 100–2000 J/(kg*K). Bei den meisten Metallen beträgt die Wärmekapazität 300-400 J / (kg * K). Die Wärmekapazität metallischer Werkstoffe steigt mit steigender Temperatur. Polymere Materialien haben in der Regel eine spezifische Wärmekapazität von 1000 J/(kg·K) oder mehr.

Die elektrischen Eigenschaften von Materialien sind durch das Vorhandensein von Ladungsträgern von Elektronen oder Ionen und deren Bewegungsfreiheit unter Einwirkung eines elektrischen Feldes gekennzeichnet.

Die hohen Energien kovalenter und ionischer Bindungen verleihen Materialien mit diesen Arten von Bindungen dielektrische Eigenschaften. Ihre schwache elektrische Leitfähigkeit ist auf den Einfluss von Verunreinigungen zurückzuführen, und unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, die mit Verunreinigungen leitfähige Lösungen bildet, steigt die elektrische Leitfähigkeit solcher Materialien.

Materialien mit unterschiedlichen Bindungsarten haben unterschiedliche Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands: Bei Metallen ist er positiv, bei Materialien mit kovalenten und ionischen Bindungsarten ist er negativ. Beim Erhitzen von Metallen erhöht sich die Konzentration der Ladungsträger – Elektronen – nicht und der Widerstand gegen ihre Bewegung nimmt aufgrund einer Zunahme der Amplituden atomarer Schwingungen zu. In Materialien mit kovalenten oder ionischen Bindungen erhöht sich beim Erhitzen die Konzentration der Ladungsträger so stark, dass der Einfluss von Störungen durch erhöhte Atomschwingungen neutralisiert wird.

Wärmeleitfähigkeit ist die Übertragung von Wärmeenergie in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen bei makroskopischer Immobilität von Partikeln. Die Wärmeübertragung erfolgt von heißeren Teilchen zu kälteren und gehorcht dem Fourier-Gesetz.

Die Wärmeleitfähigkeit hängt von der Art der interatomaren Bindung, der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der Struktur des Materials ab. Wärme in Festkörpern wird durch Elektronen und Phononen übertragen.

Der Mechanismus der Wärmeübertragung wird in erster Linie durch die Art der Verbindung bestimmt: Bei Metallen erfolgt die Wärmeübertragung durch Elektronen; in Materialien mit kovalenter oder ionischer Bindung - Phononen. Diamant ist am wärmeleitfähigsten. In Halbleitern mit einer sehr geringen Ladungsträgerkonzentration erfolgt die Wärmeleitung hauptsächlich durch Phononen. Je perfekter die Kristalle sind, desto höher ist ihre Wärmeleitfähigkeit. Einkristalle leiten Wärme besser als Polykristalle, da Korngrenzen und andere Defekte in der Kristallstruktur Phononen streuen und den elektrischen Widerstand erhöhen. Das Kristallgitter erzeugt einen periodischen Energieraum, in dem die Wärmeübertragung durch Elektronen oder Phononen im Vergleich zum amorphen Zustand erleichtert wird.

Je mehr Verunreinigungen das Metall enthält, je feiner die Körner sind und je stärker das Kristallgitter verzerrt ist, desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit. Je größer die Korngrößen, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit. Das Legieren führt zu einer Verzerrung der Kristallgitter fester Lösungen und verringert die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu reinem Metall – der Basis der Legierung. Strukturbestandteile, die disperse Gemische mehrerer Phasen darstellen (Eutektika, Eutektoide), verringern die Wärmeleitfähigkeit. Strukturen mit einer gleichmäßigen Verteilung der Phasenpartikel haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Legierungsbasis. Der ultimative Typ einer solchen Struktur ist ein poröses Material. Im Vergleich zu Feststoffen sind Gase Wärmeisolatoren.

Graphit hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Wenn Wärme parallel zu den Schichten von Kohlenstoffatomen der Basisebene übertragen wird, übersteigt die Wärmeleitfähigkeit von Graphit die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer um mehr als das Zweifache

Die verzweigten Graphitplatten in Grauguss haben eine einkristalline Struktur und daher eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Sphäroguss mit Kugelgrafit hat bei gleichem Volumenanteil an Grafit eine Wärmeleitfähigkeit von 25...40 W/m*K und damit fast die Hälfte von Grauguss.

Beim Erhitzen konvergieren die Wärmeleitfähigkeiten von Stählen verschiedener Klassen. Glas hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Polymere Materialien leiten Wärme schlecht, die Wärmeleitfähigkeit der meisten Thermoplaste übersteigt 1,5 W/(mOK) nicht.

Die Wärmeleitfähigkeit kann sich in gleicher Weise wie die elektrische Leitfähigkeit ändern, wenn die elektronische Wärmeleitfähigkeit des Metalls gering ist. Die dann auftretenden Änderungen in der chemischen und Phasenzusammensetzung und Struktur der Legierung wirken sich sowohl auf die Wärmeleitfähigkeit als auch auf die elektrische Leitfähigkeit (gemäß der Wiedemann-Franz-Regel) aus.

Wenn sich die Zusammensetzung der Legierung von den reinen Komponenten entfernt, nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab. Ausnahme sind beispielsweise Kupfer-Nickel-Legierungen, bei denen die gegenteiligen Phänomene auftreten.

18. Dilatometrie. Magnetische Eigenschaften von Metallen und Legierungen. Methoden der Bestimmung

Dilatometrie - Zweig der Physik; Hauptaufgabe: Untersuchung des Einflusses äußerer Bedingungen (Temperatur, Druck, elektrische, magnetische Felder, ionisierende Strahlung) auf die Abmessungen von Körpern. Hauptthema: die thermische Ausdehnung von Körpern und die daraus resultierenden Anomalien.

Dilatometrische Methode. Beim Erhitzen von Metallen und Legierungen verändern sich das Volumen und die linearen Abmessungen des Körpers – Wärmeausdehnung. Wenn diese Veränderungen nur durch eine Erhöhung der Schwingungsenergie der Atome aufgrund einer Temperaturerhöhung verursacht werden, werden die ursprünglichen Abmessungen des Körpers wiederhergestellt, wenn die Temperatur auf das vorherige Niveau zurückkehrt. Kommt es in einem Körper beim Erhitzen (oder Abkühlen) zu Phasenumwandlungen, können Größenänderungen irreversibel sein. Veränderungen der Körpergröße im Zusammenhang mit Erwärmung und Abkühlung werden mit speziellen Geräten – Dilatometern – untersucht.

Die dilatometrische Methode ist eine Methode, mit der die kritischen Punkte von Metallen und Legierungen bestimmt, die Zersetzungsprozesse fester Lösungen untersucht und die Temperaturbereiche für die Existenz von Verfestigungsphasen ermittelt werden. Der Vorteil dieser Geräte ist ihre hohe Empfindlichkeit und Unabhängigkeit der Messwerte von der Temperaturänderungsrate.

Die hohe Empfindlichkeit elektrischer Messmethoden wird häufig bei der Untersuchung von Phasenumwandlungen, Feinstrukturdefekten und anderen Phänomenen genutzt, die in Metallen und Legierungen auftreten und mit anderen Forschungsmethoden nicht untersucht werden können. Der elektrische Widerstand wird mit verschiedenen Brückenschaltungen sowie Kompensationsverfahren gemessen. Zur Untersuchung von Prozessen, die mit dem Übergang von einem paramagnetischen Zustand in einen ferromagnetischen Zustand (oder umgekehrt) verbunden sind, werden verschiedene Methoden der magnetischen Analyse verwendet, und es ist möglich, diese Prozesse zu quantifizieren. Die Magnetanalyse wird häufig zur Lösung von Problemen der praktischen Metallurgie verwendet, z. B. zur Untersuchung der Auswirkungen von Wärmebehandlung, Verformung und Legierung auf die Struktur. Es ist auch möglich, die magnetische Analyse zu verwenden, um einige komplexere Probleme der physikalischen Metallurgie zu lösen.

Die Methode der inneren Reibung basiert auf der Untersuchung irreversibler Energieverluste mechanischer Schwingungen im Inneren eines Festkörpers. Mit dieser Methode ist es möglich, Diffusionskoeffizienten mit hoher Genauigkeit zu berechnen, auch bei niedrigen Temperaturen, wo keine andere Methode anwendbar ist; bestimmen Sie die Änderung der Konzentration von festen Lösungen; Verteilung von Verunreinigungen; erhalten Informationen über Phasen- und polymorphe Transformationen und Änderungen in der Versetzungsstruktur.

Hartmagnetische Stähle und Legierungen werden zur Herstellung von Permanentmagneten verwendet. Für Permanentmagnete werden kohlenstoffreiche Stähle mit 1% C, legiert mit Chrom (3%) EX3 sowie gleichzeitig mit Chrom und Kobalt, EX5K5, EX9K15M2, verwendet. Legierungselemente erhöhen die Koerzitiv- und Magnetenergie.

Legierungen vom Alnico-Typ werden in der Industrie weit verbreitet verwendet. Legierungen sind hart, spröde und nicht verformbar, daher werden aus ihnen Magnete durch Gießen hergestellt und anschließend geschliffen.

Materialien werden nach dem Grad ihrer magnetischen Suszeptibilität und ihrem Vorzeichen in Diamagnete, Paramagnete und Ferromagnete eingeteilt.

Diamagnete haben eine negative magnetische Suszeptibilität. Ihre Magnetisierung ist dem angelegten Magnetfeld entgegen gerichtet. Dies führt zu einer Schwächung dieses Feldes. Halbleiter (Si, Ge), Dielektrika (Polymere), einige Nicht-Übergangsmetalle (Be, Cu, Ag, Pb) sind Diamagnete.

Paramagnete haben eine geringe Magnetisierung, die unter dem Einfluss eines äußeren Feldes auftritt. Paramagnete sind K, Na, Al und Übergangsmetalle Mo, W, Ti.

Ferromagnete zeichnen sich durch eine hohe magnetische Suszeptibilität aus. Dazu gehören: Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium. Kenndaten: Restinduktion Vg, Koerzitivfeldstärke Hc und magnetische Permeabilität m = V/N.

Restinduktion - magnetische Induktion, die durch ihre Magnetisierung und weitere Entmagnetisierung in der Probe verbleibt.

Koerzitivkraft - die Stärke des Magnetfelds mit entgegengesetztem Vorzeichen, die auf die Probe angewendet wird, um sie zu entmagnetisieren.

Die magnetische Permeabilität ist das Hauptmerkmal der Magnetisierungsintensität. Nachdem man den Tangens des Steigungswinkels an die Primärmagnetisierungskurve B = f(H) bestimmt hat, kann man die magnetische Permeabilität berechnen. Die YUNDK15-Legierung enthält 18–19 % Ni, 8.5–9.5 % Al, 14–15 % Co und 3–4 % Cu.

Weichmagnetische Stähle (Elektrostahl) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79NM, 81NMA) werden zur Herstellung von DC- und AC-Magnetkernen verwendet. Sie sind für die Herstellung von Ankern und Polen von Gleichstrommaschinen, Rotoren und Statoren von Asynchronmotoren usw. bestimmt.

Paramagnetische Stähle (17Kh18N9, 12Kh18N10T, 55G9N9Kh3, 40G14N9F2, 40Kh14N9Kh3YuF2 usw.) werden in der Elektrotechnik, im Gerätebau, im Schiffsbau und in speziellen Bereichen der Technik benötigt.

Der Nachteil dieser Stähle ist ihre geringe Streckgrenze (150–350 MPa), was ihre Verwendung für hochbelastete Maschinenteile erschwert.

19. Der Wert mechanischer und physikalischer Eigenschaften beim Betrieb von Produkten

Eigenschaften als Indikatoren für Materialqualität

Die Eigenschaften von Metallen werden in physikalische, chemische, mechanische und technologische Eigenschaften unterteilt. Zu den physikalischen Eigenschaften gehören: Farbe, spezifisches Gewicht, Schmelzbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, magnetische Eigenschaften, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dehnbarkeit bei Erwärmung.

Chemisch – Oxidation, Löslichkeit und Korrosionsbeständigkeit. Mechanisch – Festigkeit, Härte, Elastizität, Viskosität, Plastizität.

Zu technologisch - Härtbarkeit, Fließfähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit.

Die Stärke eines Metalls ist seine Fähigkeit, äußeren Kräften zu widerstehen, ohne zu brechen. Härte ist die Fähigkeit eines Körpers, dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers zu widerstehen. Elastizität ist die Eigenschaft eines Metalls, seine Form wiederherzustellen, nachdem die Einwirkung äußerer Kräfte, die eine Formänderung (Verformung) verursacht haben, aufhört.

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Metalls, schnell zunehmenden äußeren Kräften (Einwirkungen) zu widerstehen. Viskosität ist die entgegengesetzte Eigenschaft der Sprödigkeit.

Plastizität ist die Eigenschaft eines Metalls, sich unter dem Einfluss äußerer Kräfte zerstörungsfrei zu verformen und nach dem Ende der Krafteinwirkung eine neue Form beizubehalten. Plastizität ist die umgekehrte Eigenschaft der Elastizität.

Moderne Methoden zur Prüfung von Metallen sind mechanische Prüfungen, chemische Analysen, Spektralanalysen, metallografische und Röntgenanalysen, technologische Proben, Fehlererkennung. Diese Tests bieten die Möglichkeit, sich ein Bild von der Natur der Metalle, ihrer Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften zu machen sowie die gute Qualität der fertigen Produkte festzustellen.

Mechanische Prüfungen sind in der Industrie von größter Bedeutung.

Details von Maschinen, Mechanismen und Strukturen arbeiten unter Last. Belastungen auf Teile sind unterschiedlicher Art: Einige Teile werden mit einer Kraft belastet, die ständig in eine Richtung wirkt, andere sind Stößen ausgesetzt, und in anderen ändern sich Kräfte mehr oder weniger oft in Größe und Richtung.

Einige Maschinenteile werden bei erhöhten Temperaturen unter Korrosionseinwirkung belastet; solche Teile arbeiten unter schwierigen Bedingungen.

Dementsprechend wurden verschiedene Methoden zur Prüfung von Metallen entwickelt, mit deren Hilfe mechanische Eigenschaften bestimmt werden. Die gebräuchlichsten Prüfungen sind statische Zug-, dynamische und Härteprüfungen.

Statische Prüfungen sind solche Prüfungen, bei denen das zu prüfende Metall einer konstanten oder sehr langsam ansteigenden Kraft ausgesetzt wird.

Dynamische Prüfungen sind solche Prüfungen, bei denen das zu prüfende Metall einem sehr schnell ansteigenden Stoß oder einer Kraft ausgesetzt wird.

Darüber hinaus werden in einigen Fällen Ermüdungs-, Kriech- und Verschleißtests durchgeführt, die ein vollständigeres Bild der Eigenschaften von Metallen vermitteln.

Mechanische Eigenschaften sind ausreichende Festigkeit. Metalle haben im Vergleich zu anderen Materialien eine höhere Festigkeit, daher bestehen die belasteten Teile von Maschinen, Mechanismen und Strukturen normalerweise aus Metall.

Für die Herstellung von Federn und Federn werden Spezialstähle und Legierungen mit hoher Elastizität verwendet.

Die Plastizität von Metallen ermöglicht deren Bearbeitung durch Druck (Schmieden, Walzen).

physikalische Eigenschaften. Im Flugzeug-, Automobil- und Waggonbau ist das Gewicht von Bauteilen oft die wichtigste Eigenschaft, daher bieten sich hier besonders Aluminium- und Magnesiumlegierungen an.

Die spezifische Festigkeit einiger Aluminiumlegierungen ist höher als bei Weichstahl. Schmelzbarkeit wird verwendet, um Gussteile herzustellen, indem geschmolzenes Metall in Formen gegossen wird. Als Härtemittel für Stahl werden niedrig schmelzende Metalle (Blei) verwendet. Einige komplexe Legierungen haben einen niedrigen Schmelzpunkt, der in heißem Wasser schmilzt. Solche Legierungen werden zum Gießen von Druckmatrizen in Geräten verwendet, die dem Brandschutz dienen.

Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit werden in der Elektrotechnik für den Bau von Stromleitungen und Legierungen mit hohem elektrischem Widerstand für elektrische Glühlampen verwendet.

Die magnetischen Eigenschaften von Metallen spielen eine primäre Rolle in der Elektrotechnik (Elektromotoren, Transformatoren), in der elektrischen Instrumentierung (Telefon- und Telegrafenapparate).

Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ermöglicht ihre gleichmäßige Erwärmung zur Druckbehandlung, Wärmebehandlung; Es bietet die Möglichkeit, Metalle zu löten und zu schweißen.

Chemische Eigenschaften. Korrosionsbeständigkeit ist besonders wichtig für Produkte, die in stark oxidierten Umgebungen betrieben werden (Grillroste, Maschinenteile der chemischen Industrie). Um eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, werden spezielle rostfreie, säure- und hitzebeständige Stähle hergestellt und auch Schutzbeschichtungen für Produkte verwendet.

20. Arten von Phasen in Metalllegierungen. Phasenregel; Hebel Regel

Ein Zustandsdiagramm ist eine grafische Darstellung des Zustands einer beliebigen Legierung des untersuchten Systems in Abhängigkeit von ihrer Konzentration und Temperatur.

Die Untersuchung einer beliebigen Legierung beginnt mit der Konstruktion und Analyse des Zustandsdiagramms des entsprechenden Systems. Das Zustandsdiagramm ermöglicht die Untersuchung der Phasen und Gefügebestandteile der Legierung. Anhand des Zustandsdiagramms ist es möglich, die Möglichkeit der Wärmebehandlung und ihrer Modi, Gießtemperaturen, heiße plastische Verformung festzustellen.

In jedem System hängt die Anzahl der Phasen, die sich im Gleichgewicht befinden, von internen und externen Bedingungen ab. Die Gesetzmäßigkeiten aller im System auftretenden Änderungen unterliegen dem allgemeinen Gleichgewichtsgesetz, das als Phasenregel oder Gibbs-Gesetz bezeichnet wird. Die Phasenregel drückt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Freiheitsgrade C (Varianz) des Systems, der Anzahl der Komponenten K und der Anzahl der Phasen des Systems Ä aus, die sich im Gleichgewicht befinden.

Freiheitsgrade werden als unabhängige thermodynamische Parameter bezeichnet, denen beliebige (in einem bestimmten Intervall) Werte gegeben werden können, damit sich die Phasenzustände nicht ändern (alte Phasen verschwinden nicht und neue treten nicht auf).

Typischerweise finden alle Umwandlungen in Metallen und Legierungen bei konstantem Atmosphärendruck statt. Dann wird die Phasenregel wie folgt geschrieben: C = K – F + 1.

Mit der Phasenregelgleichung können Sie die Korrektheit der Konstruktion von Zustandsdiagrammen korrigieren.

Eine Phase ist ein homogener Systemteil, der von anderen Systemteilen (Phasen) durch die Grenzfläche getrennt ist, bei deren Durchgang sich die chemische Zusammensetzung oder Struktur des Stoffes schlagartig ändert.

Eine homogene Flüssigkeit ist ein einphasiges System, und eine mechanische Mischung aus zwei Kristallen ist zweiphasig, da sich jeder Kristall in seiner Zusammensetzung oder Struktur vom anderen unterscheidet und durch eine Grenzfläche voneinander getrennt ist.

Komponenten sind die Substanzen, die das System bilden.

Die Konstruktion von Phasendiagrammen erfolgt mit verschiedenen experimentellen Methoden. Häufig kommt die Methode der Thermoanalyse zum Einsatz. Es werden mehrere Legierungen dieses Systems mit unterschiedlichen Massenverhältnissen ihrer Bestandteile ausgewählt. Die Legierungen werden in feuerfeste Tiegel gegeben und in einem Ofen erhitzt. Nachdem die Legierungen geschmolzen sind, werden die Tiegel mit den Legierungen langsam abgekühlt und die Abkühlgeschwindigkeit aufgezeichnet. Basierend auf den gewonnenen Daten werden thermische Kurven in Zeit-Temperatur-Koordinaten aufgezeichnet. Als Ergebnis der Messungen erhält man eine Reihe von Abkühlungskurven, in denen Wendepunkte und Temperaturstopps bei den Temperaturen der Phasenumwandlungen beobachtet werden. Temperaturen, die Nichtphasenumwandlungen entsprechen, werden kritische Punkte genannt. Die Punkte, die dem Beginn der Kristallisation entsprechen, werden Liquiduspunkte genannt, und die Punkte, die dem Ende der Kristallisation entsprechen, werden Soliduspunkte genannt. Basierend auf den erhaltenen Abkühlungskurven für verschiedene Legierungen des untersuchten Systems wird ein Phasendiagramm in Koordinaten erstellt; Die Abszissenachse ist die Konzentration der Komponenten, die Ordinatenachse ist die Temperatur.

Bei der Kristallisation ändert sich sowohl die Konzentration der Phasen als auch die Menge jeder Phase. An jedem Punkt im Diagramm, an dem zwei Phasen gleichzeitig in der Legierung vorhanden sind, kann die Menge beider Phasen und ihre Konzentration bestimmt werden. Hierfür wird die Regel der Hebelwirkung oder die Regel der Segmente verwendet.

Segmentregel. Dieses Diagramm umfasst Legierungen, deren Komponenten Mischungen ihrer praktisch reinen Körner mit vernachlässigbarer gegenseitiger Löslichkeit bilden. Die Abszisse zeigt den Prozentsatz der Komponente B in der Legierung.

Die Phasenstruktur der Legierungen im Diagramm hängt von der Temperatur ab. Mit der thermodynamischen Einwirkung der Komponenten aufeinander nimmt die Temperatur ihres Übergangs in den flüssigen Zustand ab und erreicht bei einer für jedes Komponentenpaar bestimmten Zusammensetzung ein bestimmtes Minimum. Die Zusammensetzung der Legierung kann durch Projektion des Punktes C auf die Abszissenachse (Punkt Ve) bestimmt werden. Eine Legierung aus zwei Komponenten, die bei einer Mindesttemperatur schmilzt, wird als Eutektikum oder Eutektikum bezeichnet.

Das Eutektikum ist eine gleichmäßige Mischung gleichzeitig kristallisierter kleiner Körner beider Komponenten. Die Temperatur, bei der beide Komponenten gleichzeitig schmelzen oder kristallisieren, wird als eutektische Temperatur bezeichnet.

Quantitative Änderungen in den Legierungen eines bestimmten Komponentensystems während der Kristallisation gehorchen der Segmentregel.

Um die Konzentrationen der Komponenten in den Phasen zu bestimmen, wird eine horizontale Linie durch einen gegebenen Punkt gezogen, der den Zustand der Legierung charakterisiert, bis sie sich mit den Linien schneidet, die diesen Bereich begrenzen; die Projektionen der Schnittpunkte auf die Konzentrationsachse zeigen die Zusammensetzung der Phasen.

Indem Sie eine horizontale Linie durch einen bestimmten Punkt ziehen, können Sie das quantitative Verhältnis der Phasen bestimmen. Die Segmente dieser Linie zwischen dem gegebenen Punkt und den Punkten, die die Zusammensetzung der Phasen bestimmen, sind umgekehrt proportional zu den Mengen dieser Phasen.

Die Segmentregel in Dual-State-Diagrammen wird nur in Zwei-Phasen-Bereichen verwendet. In einem Einphasengebiet gibt es nur eine Phase; jeder Punkt innerhalb der Region charakterisiert ihre Konzentration.

21. Feste Lösungen von Substitution und Insertion; Zwischenphasen; Aufbauten

Mischkristalle sind Phasen, in denen eine der Legierungskomponenten ihr Kristallgitter behält, während sich die Atome anderer Komponenten im Gitter der ersten Komponente befinden und ihre Abmessungen (Perioden) ändern. Die feste Lösung, die aus zwei Komponenten besteht, hat einen Gittertyp und repräsentiert eine Phase.

Unterscheiden Sie zwischen festen Substitutionslösungen und interstitiellen festen Lösungen. Wenn eine substitutionelle feste Lösung gebildet wird, ersetzen die Atome der gelösten Komponente einige der Atome des Lösungsmittels in seinem Kristallgitter.

Wenn ein reines Metall kristallisiert, gibt es im System zwei Phasen: flüssig (geschmolzenes Metall) und fest (Körner aus erstarrtem Metall). In Hartlegierungen sind die Phasen Körner aus reinem Metall, Körner einer festen Lösung und Körner einer chemischen Verbindung.

Einige Metalle, deren Atomgröße stark variiert, lösen sich im flüssigen Zustand nicht auf, und wenige Metalle lösen sich im flüssigen Zustand in begrenztem Umfang auf.

Bei der Bildung von Legierungen während ihrer Erstarrung sind vielfältige Wechselwirkungen der Komponenten möglich.

Wenn sich während des Kristallisationsprozesses herausstellt, dass die Wechselwirkungskraft zwischen homogenen Atomen größer ist als die Wechselwirkungskraft zwischen heterogenen Atomen, entsteht nach der Kristallisation eine mechanische Mischung, die aus Körnern aus reinen Metallen besteht. In diesem Fall werden in der Hartlegierung Körner eines reinen Metalls und daneben Körner eines anderen reinen Metalls vorhanden sein. Diese Form der Wechselwirkung tritt auf, wenn ein großer Unterschied in den Eigenschaften der in der Legierung enthaltenen Metalle besteht.

Eine weitere Form der Wechselwirkung zwischen den Stoffen, aus denen die Legierung besteht, ist die Bildung fester Lösungen.

Feste Lösungen sind solche festen Phasen, in denen sich die Verhältnisse zwischen den Komponenten ändern können. In einer festen Lösung sind die Atome, genau wie in reinen Metallen, regelmäßig im Raum angeordnet und bilden ein Kristallgitter. Darin unterscheiden sie sich von flüssigen Lösungen. In einer festen Lösung behält einer der in der Legierung enthaltenen Stoffe sein inhärentes Kristallgitter und der zweite Stoff verteilt sich, nachdem er seine kristalline Struktur verloren hat, in Form einzelner Atome im Kristallgitter des ersten. Der erste Stoff ist ein Lösungsmittel und der zweite ist löslich. Je nach Charakter Verteilungen von Atomen eines löslichen Elements unterscheiden zwischen festen Lösungen von Interstitial, Substitution und Subtraktion. Unabhängig von der Art der festen Lösung haben sie gemeinsam, dass sie einphasig sind und in verschiedenen Konzentrationen vorliegen. Feste Lösungen sind durch metallische Bindungen gekennzeichnet. In interstitiellen festen Lösungen sind die Atome des löslichen Elements im Kristallgitter des Lösungsmittelmetalls verteilt und nehmen Plätze zwischen seinen Atomen ein.

Früher wurde festgestellt, dass in Metallen die Atome im Kristallgitter nahe beieinander liegen und die Lücken zwischen ihnen klein sind. In solchen Hohlräumen können nur Atome mit sehr kleinen Größen untergebracht werden.

Einige Halbmetalle – Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Bor – haben die kleinsten Atomgrößen, die mit Metallen interstitielle feste Lösungen bilden. Aber selbst bei diesen Elementen übersteigt die Größe der Atome etwas die Größe der interatomaren Lücken im Kristallgitter von Metallen, daher wird das Gitter verzerrt, wenn interstitielle feste Lösungen gebildet werden, und es entstehen Spannungen darin. In diesem Fall kann die Konzentration der interstitiellen festen Lösung nicht hoch sein: Sie übersteigt selten 1–2 %.

In substitutionellen festen Lösungen treten die Atome des löslichen Elements an die Stelle der Atome des unedlen Metalls. Fremdatome können die Atome des Lösungsmittels an jeder Stelle ersetzen, daher nennt man solche Lösungen ungeordnete Mischkristalle. Die Größe der Atome des löslichen Elements unterscheidet sich von der Größe des Lösungsmittelatoms (sie sind größer oder kleiner), daher wird das Kristallgitter des Lösungsmittelmetalls leicht verzerrt, wenn eine feste Substitutionslösung gebildet wird, ohne seine Grundstruktur zu verlieren .

Ersatzfeste Lösungen können begrenzt oder unbegrenzt sein. Eine der Bedingungen für unbegrenzte Löslichkeit ist der Größenfaktor: Je größer der Unterschied in den Atomradien, desto geringer die Löslichkeit.

Bei einer Temperaturabnahme in substitutionellen festen Lösungen kann es zu einem Prozess der Umverteilung von Atomen kommen, wodurch die Atome des gelösten Elements genau definierte Positionen im Lösungsmittelgitter einnehmen. Solche festen Lösungen werden geordnete feste Lösungen genannt, und ihre Struktur wird Überstruktur genannt.

Die Übergangstemperatur von einem ungeordneten Zustand in einen geordneten Zustand wird als Kurnakov-Punkt bezeichnet. Geordnete Mischkristalle zeichnen sich durch größere Härte, geringere Plastizität und elektrischen Widerstand aus. Sie können als Zwischenphasen zwischen festen Lösungen und chemischen Verbindungen betrachtet werden.

22. System mit unbegrenzter Löslichkeit in flüssigen und festen Zuständen; eutektische, peritektische und monotektische Systeme. Systeme mit Komponentenpolymorphismus und eutektoider Transformation

Eine vollständige gegenseitige Löslichkeit im Festkörper ist möglich, wenn beide Komponenten die gleichen Kristallgitter aufweisen und die Atomdurchmesser der Komponenten sich nur wenig unterscheiden. Ein solches Diagramm hat eine einfache Form und besteht aus zwei Liquidus- und Soliduslinien, die sich an den Kristallisationspunkten der reinen Komponenten A und B schneiden. Alle Legierungen erstarren in einem bestimmten Temperaturbereich (C = 1).

Läuft der Kristallisationsprozess unter Bedingungen beschleunigter Abkühlung ab, die üblicherweise bei der Herstellung von Gussteilen und Barren stattfindet, so setzt bei Temperaturen über t die Diffusionsnivellierung der Kristallzusammensetzung ein₃, hat keine Zeit zum Auftreten, was zu einer ungleichen Zusammensetzung nicht nur in einzelnen Kristallen, sondern in jedem einzelnen von ihnen führt. Die inneren Bereiche des Kristalls sind reicher an der feuerfesten Komponente B, die äußeren an Komponente A. Dieses Phänomen der Heterogenität der chemischen Zusammensetzung wird als bezeichnet

Die ersten Kristalle auf der Oberfläche des Barrens werden mit Komponente B angereichert, und die letzten Kristalle, die sich in der Mitte des Barrens bilden, werden mit Komponente A angereichert. Als Ergebnis tritt eine Makroseigerung im Barren auf.

Die Segregation spielt eine negative Rolle, insbesondere in Fällen, in denen schädliche Verunreinigungen ungleich verteilt sind. Der erhöhte Gehalt an schädlichen Verunreinigungen kann zur vorzeitigen Zerstörung von Teilen führen.

Mit einem Phasendiagramm kann man die Phasenumwandlungen jeder Legierung verfolgen und die Zusammensetzung und das Mengenverhältnis der Phasen bei jeder Temperatur anzeigen. Dies geschieht mit zwei einfachen Regeln.

Die chemische Zusammensetzung der ausgeschiedenen Kristalle ändert sich mit abnehmender Temperatur entlang der Soliduslinie von x_е bis x_с. Gleichzeitig ändert sich die Zusammensetzung der flüssigen Phase entlang der Liquiduslinie von x_с bis x_i Dies gibt Anlass, Regeln zur Bestimmung der Zusammensetzung von Phasen (Konzentrationsregel) und des Mengenverhältnisses von Phasen (Segmentregel) zu formulieren.

Komponenten: A und B; Phasen: L, α, β, wobei α eine feste Lösung der Atome der Komponente B im Kristallgitter der Komponente A und β eine feste Lösung der Atome der Komponente A im Kristallgitter der Komponente B ist.

Abhängig vom Zusammenwirken dieser drei Phasen sind zwei Arten von Diagrammen möglich: ein Diagramm mit Eutektikum und ein Diagramm mit Peritektik.

Phasendiagramm mit Eutektikum. Die ALL-Linie ist die Liquiduslinie, die EVSKE-Linie ist die Soliduslinie. Die Linien VM und KG zeigen die maximale Löslichkeit der Komponenten. Wie in den vorherigen Fällen kann der Kristallisationsprozess jeder Legierung mithilfe der Phasenregel und der Segmentregel verfolgt werden.

Ein System ist eine Menge von Phasen in festem oder flüssigem Zustand, die sich unter bestimmten äußeren Bedingungen (Temperatur und Druck) im Gleichgewicht befinden.

Verschiedene allotrope Formen werden normalerweise durch die Buchstaben des griechischen Alphabets α, β, γ bezeichnet, die als Indizes an das Symbol angehängt werden, das das Element bezeichnet. Die allotrope Form, die bei der niedrigsten Temperatur stabil ist, wird mit dem Buchstaben α bezeichnet, der bei einer höheren Temperatur existiert, β, dann γ. Ein Beispiel für eine allotrope Umwandlung aufgrund einer Druckänderung ist die Modifikation der Kristallstruktur von Kohlenstoff, der in Form von Graphit und Diamant vorliegen kann. Polymorphismus ist von großer praktischer Bedeutung. Unter Ausnutzung dieses Phänomens ist es möglich, Legierungen durch Wärmebehandlung zu festigen oder zu erweichen.

Von großem praktischem Interesse sind Legierungen, bei denen eine oder beide Komponenten polymorphe Umwandlungen aufweisen. Bei diesen Legierungen können durch Wärmebehandlung metastabile Gefügezustände mit neuen Eigenschaften erreicht werden.

Nach Kristallisation aller Legierungen dieses Systems in einem bestimmten Temperaturbereich bildet sich ein Mischkristall γ, der beim Unterschreiten der Temperatur t₃ erfährt eine eutektoide Transformation γ_C → ein_E + β

Die resultierende Mischung aus zwei festen Phasen wird als Eutektoid bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der Komponenten in Mischkristallen α und β erfolgt nach weiterer Abkühlung eine sekundäre Ausfällung von Mischkristallen β_II und α_II.

Einige Elemente verändern ihre Kristallstruktur, also die Art des Kristallgitters, abhängig von Veränderungen der äußeren Bedingungen – Temperatur und Druck. Die Existenz eines Stoffes in verschiedenen kristallinen Formen, abhängig von den äußeren Bedingungen, wird durch seinen Wunsch nach einem Zustand mit geringerem Angebot an freier Energie bestimmt. Dieses Phänomen wird Polymorphismus oder Allotropie genannt. Jeder Gittertyp stellt eine allotrope Modifikation oder Variation dar. Jede Modifikation hat ihren eigenen Temperaturbereich, in dem sie stabil ist.

Bei polymorphen Umwandlungen von Metallen ist die Temperatur von vorrangiger Bedeutung. Die Umwandlung einer allotropen Form in eine andere findet bei einer konstanten Temperatur statt, die als polymorphe Umwandlungstemperatur bezeichnet wird, und wird von einem thermischen Effekt begleitet, ähnlich dem Schmelz-Erstarrungs- oder Verdampfungs-Kondensations-Phänomen. Dies liegt an der Notwendigkeit, eine bestimmte Menge an Energie für die Umordnung des Kristallgitters aufzuwenden.

Die Atomvolumina und dementsprechend die Gesamtenergien verschiedener Modifikationen unterscheiden sich in der Regel wenig, aber es gibt Ausnahmen.

23. System mit dreifachem Eutektikum und nahezu vollständiger Abwesenheit der Löslichkeit von Komponenten im Festkörper; isotherme und polytherme Abschnitte

Zustandsdiagramme für binäre Legierungen werden auf einer Ebene aufgetragen: Auf der Abszissenachse ist die Konzentration der Komponenten aufgetragen, auf der Ordinatenachse ist die Temperatur für ternäre Legierungen aufgetragen. Häufiger ist das räumliche Bild.

Als Basis des Diagramms wird ein gleichseitiges Dreieck, Konzentrationsdreieck genannt, verwendet. Die Temperatur ist entlang einer Achse aufgetragen, die senkrecht zur Ebene des Konzentrationsdreiecks steht. Die Spitzen des Dreiecks entsprechen den Konzentrationen, die den reinen Komponenten A, B und C des untersuchten Systems entsprechen.

Auf den Seiten des Dreiecks sind die Konzentrationen der entsprechenden zwei Komponenten aufgetragen: A-B, B-C, C-A. Jeder Punkt innerhalb des Dreiecks entspricht der Zusammensetzung einer bestimmten ternären Legierung. Die Zusammensetzung der Legierungen wird auf der Grundlage des bekannten Satzes in einem gleichseitigen Dreieck bestimmt, wobei die Summe von drei Senkrechten, die von einem beliebigen Punkt K, der innerhalb des Dreiecks liegt, zu seinen Seiten fallen gelassen wird, gleich der Höhe des Dreiecks ist.

Die Höhe des Dreiecks wird mit 100 % angenommen, dann charakterisieren die Senkrechten Ka, Kc und Kb die Konzentrationen der einzelnen Komponenten der ternären Legierung. Die Menge jeder Komponente wird durch den Wert der zur gegenüberliegenden Seite abgesenkten Senkrechten bestimmt, d. h. die Menge der Komponente C wird durch die Senkrechte Kc, Komponente A-Ka, Komponente B-Kb bestimmt.

Häufiger wird die Zusammensetzung von Legierungen nicht durch die Werte der Senkrechten bestimmt, sondern durch die Werte der Segmente, die an den Seiten des Dreiecks durch Linien parallel zu den Seiten des Dreiecks abgeschnitten sind, d. H. entlang der Segmente Aa, Be und CJ. Das Segment Ad entspricht der Konzentration der Komponente B, das Segment Be der Komponente C und das Segment C der Komponente A. Die Konzentration wird im Uhrzeigersinn bestimmt, kann aber auch umgekehrt bestimmt werden Richtung.

Das Zusammenwirken der Komponenten in ternären Legierungen ähnelt Doppellegierungen: Die Bildung mechanischer Gemische, fester Lösungen und chemischer Verbindungen ist möglich: eutektische und peritektische Reaktionen sowie polymorphe Umwandlungen sind möglich. Der Unterschied besteht darin, dass Transformationen in Doppelsystemen durch Linien und Punkte und in Dreifachsystemen durch Ebenen und Linien angezeigt werden. Beispielsweise nicht die Liquiduslinie, sondern die Liquidusfläche (oder Solidusfläche), nicht die Eutektikumslinie, sondern die Eutektikumsfläche. Die Zusammensetzung des Doppel-Eutektikums wird nicht durch einen Punkt, sondern durch eine Linie bestimmt. Und nur das dreifache Eutektikum wird durch einen Punkt auf die Ebene des Dreiecks projiziert. All dies kann durch die Untersuchung zweier typischer Phasendiagramme von Legierungen der drei Komponenten verfolgt werden.

Im Gegensatz zu Doppeldiagrammen ermöglichen Ternärdiagramme Phasen- und Strukturanalysen realer technischer Legierungen, die in der Regel drei- oder mehrkomponentig sind.

Das Modell des Tripelsystems ist ein dreiflächiges Prisma, das auf einem gleichseitigen Dreieck ruht. Die Oberseite des Prismas ist die Liquidusfläche. In einem ternären System, in dem alle drei Komponenten sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand unbegrenzt löslich sind, hat die Liquidusoberfläche die einfachste Form – dies ist die an drei Seiten abgeschnittene Oberfläche eines Linsenkorns. In allen anderen Fällen erweist sich diese Fläche als komplex und besteht aus mehreren sich kreuzenden Flächen, sodass die Untersuchung ternärer Systeme gewisse methodische Schwierigkeiten mit sich bringt.

Die Basis des dreiflächigen Prismas ist ein gleichseitiges Dreieck, auf dem die Konzentrationen durch die Seitenflächen des Phasendiagramms binärer Systeme und die Temperatur durch die Höhe markiert sind. Die Wahl eines gleichseitigen Dreiecks erklärt sich dadurch, dass darin die Konzentrationen aller Komponenten im gleichen Maßstab dargestellt werden können. An den Eckpunkten dieses Dreiecks befinden sich die Komponenten A, B und C der Legierung, also 100 % A, 100 % B bzw. 100 % C. Konzentrationen binärer Legierungen sind auf den entsprechenden Seiten des Dreiecks markiert, und Konzentrationen ternärer Legierungen sind als Punkte innerhalb der Dreiecksfläche markiert.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Konzentration einer ternären Legierung zu bestimmen. Um den Prozentsatz der Komponente A zu bestimmen, muss eine Linie vom Punkt K parallel zur gegenüberliegenden Seite (BC) des Dreiecks gezogen werden, bis sie die Skalenseite der Komponente A schneidet. Um den Prozentsatz der Komponente B zu ermitteln, ist dies der Fall Es ist notwendig, eine Linie vom Punkt K parallel zur gegenüberliegenden Seite (AC) zu zeichnen, bis sie die Seite AB schneidet – den Maßstab der Komponente B. Auf ähnliche Weise können Sie den Prozentsatz der Komponente C festlegen. Dies sollte berücksichtigt werden dass die Gesamtkonzentration von A + B + C = 100 % ist.

Um Phasenumwandlungen in ternären Systemen zu erklären, werden Abschnitte verwendet - vertikal (polythermal) und horizontal (isotherm). Jeder horizontale Schnitt charakterisiert den Gleichgewichtszustand bei der gewählten Temperatur und kann für quantitative Berechnungen verwendet werden. Die Punkte, die die Gleichgewichtszusammensetzungen der Phasen anzeigen, befinden sich in der Schnittebene. Der vertikale Schnitt zeigt die Abfolge von Phasenumwandlungen in Legierungen während des Erhitzens oder Abkühlens für einen bestimmten Bereich von Komponentenkonzentrationen. Über die Gleichgewichtszusammensetzungen der Phasen an diesen Querschnitten liegen keine Informationen vor.

24. Die Hebelregel und der Schwerpunkt des Dreiecks

Anhand des Phasendiagramms kann für beliebige Temperaturen nicht nur die Anzahl der Phasen, sondern auch deren Zusammensetzung und Mengenverhältnis bestimmt werden. Wenden Sie dazu die Segmentregel (Hebelregel) an.

Diese Regel kann für Diagramme verwendet werden, in denen Legierungen in einem zweiphasigen Zustand vorliegen. Die erste Segmentregel besteht darin, die Zusammensetzung der Phasen zu bestimmen.

Die Phasenstruktur der Legierungen im Diagramm hängt von der Temperatur ab. Mit der thermodynamischen Einwirkung der Komponenten aufeinander nimmt die Temperatur ihres Übergangs in den flüssigen Zustand ab und erreicht bei einer für jedes Komponentenpaar bestimmten Zusammensetzung ein bestimmtes Minimum. Durch Projektion des Punktes C auf die x-Achse (Punkt B 3) kann die Zusammensetzung der Legierung ermittelt werden. Eine Legierung aus zwei Komponenten, die bei einer Mindesttemperatur schmilzt, wird als Eutektikum oder Eutektikum bezeichnet. Das Eutektikum ist eine gleichmäßige Mischung gleichzeitig kristallisierter kleiner Körner beider Komponenten. Die Temperatur, bei der beide Komponenten gleichzeitig schmelzen, wird als eutektische Temperatur bezeichnet.

Auf dem Zustandsdiagramm liegen die Temperaturen, oberhalb derer sich die Legierungen im flüssigen Zustand befinden, auf der DIA-Linie, die Liquiduslinie genannt wird. Der Übergang von Legierungen vom flüssigen in den festen Zustand während der Kristallisation erfolgt im Temperaturbereich zwischen der Liquiduslinie und der eutektischen Temperatur, die der DCE-Soliduslinie entspricht. Dabei geht von jeder Legierung mit abnehmender Temperatur zunächst die Komponente in die feste Phase über, deren Menge die eutektische Konzentration übersteigt. Bei untereutektischen Legierungen enthält der Zweiphasenbereich ACD eine überschüssige Komponente A und eine flüssige Phase G, und im übereutektischen Bereich BSE gibt es feste B bzw. flüssige flüssige Phasen. In beiden Fällen ist die G-Phase eine flüssige Lösung beider Komponenten.

Mit sinkender und sich nähernder Temperatur nähert sich die Zusammensetzung der nicht kristallisierten Phase dem Eutektikum an, wobei in diesem Fall, je weniger sich die Legierung in der Zusammensetzung vom Eutektikum unterscheidet, desto niedriger ihr Liquiduspunkt ist und desto mehr Eutektikum erstarrt darin.

Quantitative Änderungen in den Legierungen eines bestimmten Komponentensystems während der Kristallisation gehorchen der Segmentregel. Der Anteil jedes Gefügebestandteils, von dem die Eigenschaften abhängen, lässt sich nach der Segmentregel in Abhängigkeit von der eutektischen Temperatur berechnen. Bei der Bewertung der Festigkeitseigenschaften ist zu berücksichtigen, dass der Anteil der Legierung, der durch das Eutektikum repräsentiert wird, eine höhere Festigkeit aufweist als der Anteil, der durch größere Körner der überschüssigen Phase repräsentiert wird.

Bestimmung der Zusammensetzung der Phasen für eine Legierung bei verschiedenen Temperaturen am Punkt n. Dazu über den Punkt n, der den Zustand dieser Legierung bei der Temperatur t charakterisiert_n, ist es notwendig, eine horizontale Linie (Konoda) zu zeichnen, bis sie die Linien des Zustandsdiagramms schneidet, die diesen Zweiphasenbereich begrenzen. Schnittpunkte l₂ und s₂ werden auf die Konzentrationsachse projiziert. Punktprojektion l₂ Punkt l₂ zeigt die Zusammensetzung der flüssigen Phase und die Punkte s₂ - Punkt s₂ - feste Phase. Um die Zusammensetzung der Phasen bei jeder Temperatur zu bestimmen, müssen Sie durch diesen Punkt einen Endpunkt ziehen und die Schnittpunkte mit Liquidus und Solidus auf die Konzentrationsachse projizieren. Die Zusammensetzung der flüssigen Phase ändert sich entlang der Liquiduslinie und die der festen Phase ändert sich entlang der Soliduslinie.

Bei Temperaturen unterhalb der Soliduslinie besteht die Phasenzusammensetzung aller Legierungen des betrachteten Systems aus Körnern beider Komponenten: A + B. In jeder Legierung sind kleine Körner A und B vorhanden, die das Eutektikum bilden, und große Körner überschüssiger Phasen – Komponenten A bzw. B – in untereutektischen und übereutektischen Legierungen.

Bestimmen Sie anhand der zweiten Stelle des Segmentsatzes das Mengenverhältnis der Phasen für beliebige Temperaturen. Die Anzahl (Masse) der Phasen ist umgekehrt proportional zu den Segmenten der geleiteten Konode.

Mit der Segmentregel (Hebel) können Sie die Zusammensetzung und Menge der festen und flüssigen Phasen der Legierung im Kristallisationsbereich bestimmen. Aus dem Phasendiagramm lässt sich nicht nur die Anzahl der Phasen einer bestimmten Legierung bei einer bestimmten Temperatur bestimmen, sondern auch die relative Menge jeder Phase. Um die Anzahl der Phasen, beispielsweise einer Pb-Sb-Legierung mit 72 % Sb, bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen, ist es notwendig, von einem Punkt auf der Konzentrationsachse, der dem Gehalt von 72 % Sb entspricht, eine Senkrechte und eine Horizontale zu zeichnen Linie, die einer gegebenen Temperatur t entspricht_зад. Als Ergebnis des Schnittpunkts der Linien erhalten wir Punkt K. Wir setzen die horizontale Linie fort, die durch Punkt K verläuft, bis sie sich mit den Linien des Diagramms schneidet, wir erhalten die Punkte l und S. Punkt l entspricht der flüssigen Phase des Legierung (er liegt auf der Liquiduslinie), Punkt S entspricht den Festphasentemperaturen von reinem Antimon).

Hebelregel.

1. Die Menge der festen Phase ist gleich dem Verhältnis der Länge des an die flüssige Phase angrenzenden Arms zur Länge des gesamten Hebels.

2. Die Menge der flüssigen Phase ist gleich dem Verhältnis der Länge des an die feste Phase angrenzenden Arms zur Länge des gesamten Hebels.

25. Abhängigkeit der mechanischen und physikalischen Eigenschaften von der Zusammensetzung in Systemen verschiedener Art

Eine Eigenschaft ist ein quantitatives oder qualitatives Merkmal eines Materials, das seine Gemeinsamkeiten oder Unterschiede zu anderen Materialien bestimmt.

Es gibt drei Hauptgruppen von Eigenschaften: Betrieb, Technologie und Kosten, die der Materialauswahl zugrunde liegen und die technische und wirtschaftliche Machbarkeit seiner Verwendung bestimmen.

Leistungseigenschaften sind von größter Bedeutung. Die Leistung vieler Teile von Maschinen und Produkten liefert ein Niveau an mechanischen Eigenschaften.

Mechanische Eigenschaften charakterisieren das Verhalten eines Werkstoffs unter Einwirkung einer äußeren Last. Da die Belastungszustände von Maschinenteilen sehr unterschiedlich sind, umfassen die mechanischen Eigenschaften eine große Gruppe von Indikatoren.

Die Leistung einer einzelnen Gruppe von Maschinenteilen hängt nicht nur von den mechanischen Eigenschaften ab, sondern auch von der Beständigkeit gegenüber den Auswirkungen einer chemisch aktiven Arbeitsumgebung. Wenn eine solche Einwirkung erheblich wird, sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials – Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit – entscheidend.

Mechanische Eigenschaften charakterisieren den Widerstand eines Materials gegen Verformung, Zerstörung oder ein Merkmal seines Verhaltens im Prozess der Zerstörung. Diese Gruppe von Eigenschaften umfasst Indikatoren für Festigkeit, Steifheit (Elastizität), Plastizität, Härte und Viskosität. Die Hauptgruppe solcher Indikatoren sind die Standardmerkmale der mechanischen Eigenschaften, die unter Laborbedingungen an Proben mit Standardgrößen bestimmt werden. Die bei solchen Tests erhaltenen Indikatoren für mechanische Eigenschaften bewerten das Verhalten von Materialien unter äußerer Belastung, ohne die Konstruktion des Teils und seine Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus werden zusätzlich strukturelle Festigkeitskennzahlen ermittelt, die mit den Gebrauchseigenschaften eines bestimmten Produkts am stärksten korrelieren, und die Leistungsfähigkeit des Materials unter Betriebsbedingungen bewertet.

Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen charakterisieren die Möglichkeit ihres Einsatzes in Produkten, die unter dem Einfluss mechanischer Belastungen betrieben werden. Die Hauptindikatoren für solche Eigenschaften sind Festigkeitsparameter, Härte und tribologische Eigenschaften. Sie sind keine „reinen“ Materialkonstanten, sondern hängen maßgeblich von Form, Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit der Proben sowie Prüfmodi ab, vor allem der Belastungsgeschwindigkeit, Temperatur, Medieneinwirkung und anderen Faktoren. Die hohe Härte des Metalls ist wichtig bei der Herstellung von Schneidprodukten. Meistens werden für solche Produkte Werkzeugstähle verwendet.

Festigkeit - die Eigenschaft von Materialien, einer Zerstörung sowie einer irreversiblen Formänderung unter dem Einfluss äußerer Belastungen zu widerstehen. Es ist auf die Wechselwirkungskräfte der Atomteilchen zurückzuführen, aus denen das Material besteht. Die Stärke der Wechselwirkung zweier benachbarter Atome hängt von deren Abstand ab, wenn wir den Einfluss der umgebenden Atome vernachlässigen.

Eine Verformung ist eine Änderung der relativen Anordnung von Partikeln in einem Material. Die einfachsten Arten sind: Zug, Druck, Biegung, Torsion, Scherung. Eine Verformung ist eine Veränderung der Form und Größe einer Probe oder ihrer Teile infolge einer Verformung.

Die Proportionalitätsgrenze ist die Spannung, bei der die Abweichung vom linearen Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen einen bestimmten, durch die Spezifikation festgelegten Wert erreicht.

Wichtige physikalische Eigenschaften von Materialien, die bei der Verwendung von Materialien berücksichtigt werden, sind Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, elektrische Leitfähigkeit. Die besonderen magnetischen Eigenschaften von Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Legierungen sowie Ferriten unterscheiden sie in Materialgruppen von außergewöhnlichem Wert – Ferro- und Ferrimagnete.

Physikalische Eigenschaften werden durch die Art der interatomaren Bindung und die chemische Zusammensetzung der Materialien, Temperatur und Druck bestimmt. Bei den meisten Materialbearbeitungsprozessen überschreiten die Drücke 500 MPa nicht. Solche Drücke haben praktisch keinen Einfluss auf die Werte der physikalischen Eigenschaften. Es gibt physikalische Eigenschaften, die von der Struktur des Materials abhängig und unabhängig sind. Die Werte der letzteren werden nur durch die chemische Zusammensetzung des Materials und die Temperatur bestimmt.

Physikalische Eigenschaften von Metallen – Farbe, Dichte, Schmelzpunkt, thermische und elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierungsfähigkeit usw. Kupfer zum Beispiel ist ein rotes Metall und im gebrochenen Zustand rosa; silberweißes Aluminium; Blei hat eine hellgraue Farbe. Ein wichtiges Merkmal physikalischer Eigenschaften ist die elektrische Leitfähigkeit. Kupfer hat (nach Silber) die höchste elektrische Leitfähigkeit. Aluminium hat eine geringe Dichte, daher werden Teile aus Aluminium und darauf basierenden Legierungen häufig im Automobil- und Traktorenbau verwendet. Kupfer und Aluminium, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, werden zur Herstellung von Leitern (Transformatorwicklungen, Stromleitungen) verwendet. Auch das Gewicht des Produkts oder Teils spielt eine wichtige Rolle und fungiert als Hauptmerkmal.

26. Auswahl von Legierungen für einen bestimmten Zweck basierend auf der Analyse von Zustandsdiagrammen

Reine Metalle werden in der Elektro- und Funktechnik (Leiter, Elektrovakuum) verwendet. Hauptsächlich

Die Strukturmaterialien sind Metalllegierungen. Eine Legierung ist ein Stoff, der durch Verschmelzen zweier oder mehrerer Elemente (Komponenten) entsteht. Eine Legierung, die hauptsächlich aus metallischen Elementen besteht und metallische Eigenschaften aufweist, wird als Metalllegierung bezeichnet. Pseudolegierungen sind Legierungen, die durch Sintern, Sublimation und Elektrolyse entstehen.

Metalllegierungen können durch Pulvermetallurgie, Diffusion und andere Verfahren erhalten werden. Die überwiegende Verwendung von Metalllegierungen in der Technologie erklärt sich aus der Tatsache, dass sie wertvollere Komplexe mechanischer, physikalischer und technologischer Eigenschaften aufweisen als reine Metalle. Die Hauptbegriffe der Legierungstheorie sind: System, Komponente, Phase, Varianz.

System - eine Gruppe von Körpern, die der Beobachtung und dem Studium zugewiesen sind. In der Metallwissenschaft sind Systeme Metalle und Metalllegierungen. Reines Metall ist ein einfaches System. Legierungen bestehen aus zwei oder mehr Komponenten und sind komplexe Systeme.

Komponenten werden Stoffe genannt, die ein System bilden, in kleinerer Zahl genommen. In Metalllegierungen können die Bestandteile Elemente (Metalle und Nichtmetalle) und chemische Verbindungen sein.

Eine Phase ist ein homogener Teil des Systems, der von einem anderen Teil des Systems (Phase) durch eine Grenzfläche getrennt ist, bei deren Durchgang sich die chemische Zusammensetzung oder Struktur schlagartig ändert. Beispielsweise gibt es während der Kristallisation eines reinen Metalls zwei Phasen im System: flüssig (geschmolzenes Metall) und fest (Körner aus erstarrtem Metall). In harten Legierungen können Phasen reine Metallkörner, Körner einer festen Lösung und Körner chemischer Verbindungen sein.

Varianz - die Anzahl interner und externer Faktoren, die bei einer konstanten Anzahl von Phasen im System geändert werden können.

Alle Metalle im flüssigen Zustand lösen sich in jedem Verhältnis ineinander auf. Als Ergebnis der Auflösung wird eine homogene flüssige Lösung mit einer gleichmäßigen Verteilung von Atomen eines Metalls unter den Atomen eines anderen Metalls gebildet. Aufgrund dieser Wechselwirkung greift man in der Praxis zur gleichmäßigen Verteilung der Substanzen in der Legierung in der Regel auf deren Schmelzen zurück. Nur sehr wenige Metalle, vor allem solche mit sehr unterschiedlichen Atomgrößen, lösen sich im flüssigen Zustand nicht auf. Außerdem lösen sich einige Metalle in begrenztem Maße im flüssigen Zustand. Bei der Bildung von Legierungen während ihrer Erstarrung sind vielfältige Wechselwirkungen der Komponenten möglich. Wenn sich während des Kristallisationsprozesses herausstellt, dass die Wechselwirkungskraft zwischen homogenen Atomen größer ist als die Wechselwirkungskraft zwischen heterogenen Atomen, entsteht nach der Kristallisation eine mechanische Mischung, die aus Körnern aus reinen Metallen besteht. In diesem Fall werden in der Hartlegierung Körner eines reinen Metalls und daneben Körner eines anderen reinen Metalls vorhanden sein. Diese Form der Wechselwirkung tritt auf, wenn ein großer Unterschied in den Eigenschaften der in der Legierung enthaltenen Metalle besteht.

Eine weitere Form der Wechselwirkung zwischen den Stoffen, aus denen die Legierung besteht, ist die Bildung fester Lösungen.

Auch feste Lösungen werden je nach Löslichkeitsgrad der Komponenten in Lösungen mit begrenzter Löslichkeit der Komponenten und mit unbegrenzter Löslichkeit eingeteilt.

Die Konstruktion von Zustandsdiagrammen erfolgt durch verschiedene experimentelle Methoden. Die am häufigsten verwendete Methode ist die thermische Analyse. Das experimentelle Wesen dieser Methode ist wie folgt. Es werden mehrere Legierungen dieses Systems mit unterschiedlichen Massenverhältnissen ihrer Komponenten ausgewählt.

Es gibt Legierungen - mechanische Mischungen, die entstehen, wenn es unmöglich ist, die im festen Zustand befindlichen Komponenten aufzulösen. Diese Komponenten können durch eine chemische Reaktion keine Verbindungen eingehen. Mechanische Mischungen umfassen Elemente mit unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen. Die Zusammensetzung der Legierung umfasst Kristalle von Komponenten, die Kristallgitter bilden.

Chemische Verbindungen sind Legierungen, die aus verschiedenen Elementen gebildet werden, die unterschiedliche Atome enthalten, zwischen denen die Wechselwirkungskraft viel höher ist als zwischen homogenen Atomen.

27. Struktur und Eigenschaften von Eisen; Metastabiles und stabiles Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm. Bildung der Struktur von Kohlenstoffstählen. Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in Stahl nach Struktur

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen sind die am häufigsten vorkommenden metallischen Werkstoffe. Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm gibt einen Eindruck von der Struktur von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen – Stählen und Gusseisen.

Reines Eisen ist ein silbrig-leichtes Metall, das praktisch nicht anfällig für Oxidation ist. Ordnungszahl 26, Atomgewicht 55,85. Technisch reines Eisen enthält 0,10–0,15 % aller Verunreinigungen. Die Eigenschaften von Eisen hängen vom Grad seiner Reinheit ab. Schmelzpunkt – 1539 °C, Dichte – 7,85 g/cm³. Eisen hat eine geringe Härte und Festigkeit und eine gute Duktilität. Reines Eisen ist weniger haltbar als Gusseisen oder Stahl.

Eisen bildet mit vielen Elementen Lösungen: mit Metallen – Substitutionslösungen, mit Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff – interstitielle Lösungen. Die Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen hängt von der kristallinen Form ab, in der das Eisen vorliegt.

Wenn Kohlenstoff in Eisen gelöst wird, bilden sich feste Lösungen. Ferrit ist eine Lösung, die durch Auflösen von Kohlenstoff in einer Niedertemperaturmodifikation von Eisen erhalten wird. Es zeichnet sich durch geringe Härte und hohe Duktilität aus. Kohlenstoff, der sich in der Hochtemperaturmodifikation von Eisen auflöst, bildet plastischen Austenit.

Kohlenstoff kommt in der Natur in zwei Modifikationen vor: als Diamant mit einem komplexen kubischen Gitter und als Graphit mit einem einfachen hexagonalen Gitter.

Zementit ist Eisencarbid mit 6,67 % Kohlenstoff. Spröde und hart. Für den Fall, dass eine große Menge Silizium im Metall vorhanden ist, tritt die Bildung von Zementit nicht auf. Dabei wird Kohlenstoff in Graphit (Grauguss) umgewandelt.

Der Kohlenstoffgehalt im Diagramm Fe - C (Zementit) ist auf 6,67 % begrenzt, da bei dieser Konzentration eine chemische Verbindung entsteht – Eisencarbid (Fe)._зC) oder Zementit, die zweite Komponente dieses Diagramms.

Re - Fe-System₃C ist metastabil. Die Bildung von Zementit anstelle von Graphit ergibt einen geringeren Gewinn an freier Energie, aber die kinetische Bildung von Eisencarbid ist wahrscheinlicher.

Punkt A (1539 °C) entspricht dem Schmelzpunkt von Eisen, Punkt D (1500 °C) dem Schmelzpunkt von Zementit, Punkte N (1392 °C) und G (910 °C) entsprechen der polymorphen Umwandlung.

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen sind Stähle und Gusseisen, die Hauptwerkstoffe des Maschinenbaus und der modernen Technik.

Stahl ist das wichtigste Metallmaterial, das häufig für die Herstellung von Maschinenteilen, Flugzeugen, Instrumenten, verschiedenen Werkzeugen und Gebäudestrukturen verwendet wird. Die weit verbreitete Verwendung von Stählen beruht auf einem Komplex mechanischer, physikalisch-chemischer und technologischer Eigenschaften.

Stähle vereinen hohe Steifigkeit mit statischer und zyklischer Festigkeit. Diese Parameter werden durch Änderung der Konzentration von Kohlenstoff, Legierungselementen und Technologien der thermischen und chemisch-thermischen Behandlung verändert. Durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung werden Stähle mit unterschiedlichen Eigenschaften gewonnen und in vielen Bereichen der Technik und Volkswirtschaft eingesetzt.

Kohlenstoffstähle werden nach Kohlenstoffgehalt, Verwendungszweck, Qualität, Desoxidationsgrad und Struktur im Gleichgewichtszustand klassifiziert.

Nach dem Kohlenstoffgehalt werden Stähle in niedriggekohlte (< 0,3 % C), mittelgekohlte (0,3-0,7 % C) und hochgekohlte (> 0,7 % C) Stähle eingeteilt.

Stähle werden nach ihrem Verwendungszweck in Bau- und Werkzeugstähle eingeteilt. Baustähle stellen die umfangreichste Gruppe dar, die für die Herstellung von Baukonstruktionen, Maschinenteilen und Geräten bestimmt ist. Diese Stähle umfassen zementierte, verbesserte, hochfeste und federbelastete Stähle. Werkzeugstähle werden in Stähle zum Schneiden, Messen von Werkzeugen, Kalt- und Heißverformungswerkzeugen (bis 200 ° C) unterteilt.

Stähle werden nach Qualität in gewöhnliche Qualität, hochwertige Qualität und hohe Qualität eingeteilt. Die Qualität von Stahl ist eine Reihe von Eigenschaften, die durch den metallurgischen Prozess seiner Herstellung bestimmt werden. Die Einheitlichkeit der chemischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Stahl sowie seine Herstellbarkeit hängen weitgehend vom Gehalt an Gasen (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff) und schädlichen Verunreinigungen – Schwefel und Phosphor – ab. Gase sind versteckte Verunreinigungen, die schwer zu quantifizieren sind. Daher dienen Standards für den Gehalt an schädlichen Verunreinigungen als Hauptindikatoren für die Klassifizierung von Stählen nach Qualität. Gewöhnliche Qualitätsstähle bestehen nur aus Kohlenstoff (bis zu 0,5 % C), hochwertige und hochwertige Stähle bestehen aus Kohlenstoff und sind legiert. Je nach Desoxidationsgrad und Art der Erstarrung werden Stähle in ruhige, halbruhige und siedende Stähle eingeteilt.

Legierte Stähle werden ruhig hergestellt, Kohlenstoffstähle - ruhig, halbleise und kochend.

Nach der Struktur im Gleichgewichtszustand werden Stähle unterteilt in:

1) untereutektoid, mit Ferrit und Perlit in der Struktur;

2) Eutektoid, dessen Struktur aus Perlit besteht;

3) übereutektoid, mit Perlit und sekundärem Zementit in der Struktur.

28. Bau- und Werkzeugkohlenstoffstähle. Kennzeichnung, Anwendung

Kohlenstoffbaustähle werden in gewöhnliche Qualitätsstähle und hochwertige Stähle unterteilt.

Stahlsorten gewöhnlicher Qualität St0, St1, St2, ..., St6 (mit zunehmender Anzahl steigt der Kohlenstoffgehalt). Stähle von gewöhnlicher Qualität, insbesondere Siedestähle, sind am billigsten. Aus Stählen gewöhnlicher Qualität wird warmgewalzter gewöhnlicher Stahl hergestellt: Träger, Stäbe, Bleche, Rohre. Stähle werden im Bauwesen für Schweiß- und Bolzenkonstruktionen verwendet. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Stahl verschlechtert sich die Schweißbarkeit. Die Stähle St5 und St6, die einen höheren Kohlenstoffgehalt haben, werden für Bauteile von Baukonstruktionen verwendet, die nicht geschweißt werden.

Das Schmelzen von hochwertigem Kohlenstoffstahl wird unter strengen Bedingungen hinsichtlich der Zusammensetzung des Einsatzmaterials und der Durchführung des Schmelzens und Gießens durchgeführt. Hochwertige Kohlenstoffstähle sind mit den Zahlen 08, 10, 15, ..., 85 gekennzeichnet, die den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt in Hundertstel Prozent angeben.

Kohlenstoffarme Stähle haben eine hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität. Nicht wärmebehandelte Stähle werden für leicht belastete Teile, kritische Schweißkonstruktionen, für durch Aufkohlen gehärtete Maschinenteile verwendet. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0.3-0.5 % C) 30, 35, ..., 55 werden nach Normalisierung, Verbesserung und Oberflächenhärtung verwendet. Diese Stähle haben eine hohe Festigkeit bei geringerer Duktilität, sie werden zur Herstellung von kleinen oder großen Teilen verwendet, die keine Durchhärtbarkeit erfordern. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt haben eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Aus diesen Stählen werden Federn und Federn, Sicherungsscheiben, Rollrollen hergestellt.

Dabei werden vier Kriterien berücksichtigt: die Festigkeit des Materials, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Materials unter den Betriebsbedingungen der gegebenen Struktur. Festigkeit ist die Fähigkeit eines Körpers, Verformung und Zerstörung zu widerstehen.

Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines Produkts, bestimmte Funktionen auszuführen und seine Leistungsmerkmale über den erforderlichen Zeitraum beizubehalten. Die Zuverlässigkeit eines Entwurfs ist seine Fähigkeit, außerhalb der Entwurfssituation zu funktionieren. Der Hauptindikator für die Zuverlässigkeit ist die Reserveviskosität des Materials, die von der Zusammensetzung, der Temperatur, den Belastungsbedingungen und der bei der Rissausbreitung aufgenommenen Arbeit abhängt.

Die Sprödbruchfestigkeit eines Werkstoffs ist die wichtigste Eigenschaft, die die Zuverlässigkeit von Bauwerken bestimmt.

Haltbarkeit - die Eigenschaft des Produkts, die Leistung bis zum Grenzzustand aufrechtzuerhalten (die Unmöglichkeit seines weiteren Betriebs). Die Haltbarkeit hängt von den Betriebsbedingungen ab (dies sind Verschleißfestigkeit bei Reibung und Kontaktfestigkeit, Materialbeständigkeit gegen Oberflächenverschleiß, der bei Rollreibung mit Gleiten auftritt).

Werkzeugstähle sind für die Herstellung von Schneid-, Mess- und Matrizen zur Kalt- und Warmumformung bestimmt. Die Haupteigenschaften des Werkzeugs sind Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit. Um die Verschleißfestigkeit eines Werkzeugs zu gewährleisten, ist eine hohe Oberflächenhärte erforderlich, und um die Form des Werkzeugs beizubehalten, muss der Stahl fest, hart und zäh sein. Die mögliche Erwärmungstemperatur des Schneidwerkzeugs hängt von der Hitzebeständigkeit des Stahls ab. Kohlenstoff-Werkzeugstähle sind am günstigsten. Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von Schneidwerkzeugen mit geringem kritischen Kriterium sowie zum Stanzen und Bearbeiten regulierter Größen verwendet.

Wir produzieren (GOST 1435-74) hochwertige (U7, U8, U9) und hochwertige (U7A, U8A, U9A) Kohlenstoffstähle. Der Buchstabe U in der Marke gibt an, dass es sich bei dem Stahl um Kohlenstoff handelt, und die Zahl gibt den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt in Zehntelprozent an. Der Buchstabe A am Ende der Markierung weist darauf hin, dass der Stahl von hoher Qualität ist. Kohlenstoffstähle werden nach dem Glühen auf körnigem Perlit geliefert. Aufgrund der geringen Härte im Lieferzustand (HB 187-217) lassen sich Kohlenstoffstähle gut schneidend bearbeiten und verformen, was den Einsatz von Rändelung, Kerbung und anderen Hochleistungsmethoden der Werkzeugherstellung ermöglicht.

Die Stahlsorten U7, U8, U9 werden für Schilf einem vollständigen Härten und Anlassen bei 275-350 ° C unterzogen; Da sie zähflüssiger sind, werden sie zur Herstellung von Holzbearbeitungs-, Klempner-, Schmiede- und Presswerkzeugen verwendet.

Die übereutektoiden Stahlsorten U10, U11, U12 unterliegen einer unvollständigen Härtung. Das Werkzeug dieser Marken hat eine erhöhte Verschleißfestigkeit und eine hohe Härte.

Übereutektoide Stähle werden zur Herstellung von Messwerkzeugen (Lehren), Zerspanungswerkzeugen (Feilen, Bohrer) und Kaltstauch- und Ziehwerkzeugen mit geringer Belastung verwendet.

Der Nachteil von Werkzeugkohlenstoffstählen ist der Festigkeitsverlust bei Erwärmung über 200 ° C (mangelnde Hitzebeständigkeit). Werkzeuge aus diesen Stählen werden zur Bearbeitung weicher Werkstoffe und bei niedrigen Schnitt- oder Umformgeschwindigkeiten eingesetzt.

29. Weißer, grauer, halber, duktiler und schmiedbarer Gusseisen

Mikrostrukturbildung, Eigenschaften, Kennzeichnung und Anwendungen

Gusseisen ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Gusseisen enthält Kohlenstoff – 2,14 % und ist ein billigeres Material als Stahl. Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und gute Gießeigenschaften. Aus Gusseisen lassen sich Gussteile mit komplexeren Formen herstellen als aus Stählen. Das Gussgefüge von Gusseisen enthält Spannungskonzentratoren, die Defekte sein können: Porosität, Seigerungsheterogenität, Mikrorisse.

Weißguss hat seinen Namen aufgrund seines mattweißen Bruchmusters. Der gesamte Kohlenstoff in diesem Gusseisen liegt in gebundenem Zustand in Form von Zementit vor. Phasenumwandlungen verlaufen nach dem Phasendiagramm (Fe - Fe)._зMIT). Abhängig vom Kohlenstoffgehalt sind weiße Gusseisen: untereutektisch (Perlit + Ledeburit); Eutektikum (Ledeburit); übereutektisch (primärer Zementit + Ledeburit). Diese Gusseisen weisen aufgrund ihres Zementitgehalts eine größere Härte auf; Sie sind sehr zerbrechlich und werden nicht zur Herstellung von Maschinenteilen verwendet. Aus Gussstücken aus Weißguss werden durch Graphitisierungsglühen duktile Gussteile hergestellt. Gebleichtes Gusseisen hat Oberflächenschichten (12–30 mm) mit der Struktur von weißem Gusseisen und einen Kern aus grauem Gusseisen. Durch die hohe Oberflächenhärte ist es gut gegen Abrieb geeignet. Diese Eigenschaften von gebleichtem Gusseisen werden zur Herstellung von Blechwalzen, Rädern, Mühlenkugeln, Bremsbelägen und anderen Teilen genutzt.

Weiße Gusseisen kristallisieren nach dem Zustandsdiagramm des Eisen-Zementit-Legierungssystems. Ein erheblicher Gehalt an hartem und sprödem Zementit in der Zusammensetzung weißer Gusseisen ist der Grund dafür, dass diese Gusseisen schwer zu bearbeiten sind. Sie werden zum Gießen von Teilen mit anschließendem Glühen für Sphäroguss sowie zum Gießen von Walzen und Wagenrädern verwendet.

Grauguss (technisch) hat seinen Namen von der Bruchart, die eine graue Farbe hat. Graphit ist in der Struktur von Grauguss vorhanden. Die Struktur von Gusseisen besteht aus einer Metallbasis und Graphit, und seine Eigenschaften hängen von diesen beiden Komponenten ab. Graphit hat geringe mechanische Eigenschaften.

Beim langsamen Abkühlen von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen wird Graphit freigesetzt.

In der Industrie werden untereutektische graue (Gießerei-) Gusseisen verwendet. Grauguss, der aus Ferrit und Graphit besteht, wird ferritisch genannt, da seine metallische Basis Ferrit ist. Der gesamte Kohlenstoff in Form von Graphit wird während des sehr langsamen Abkühlens der Legierung freigesetzt; Wenn die Abkühlgeschwindigkeit während der Kristallisation (sowohl primär als auch sekundär) zunimmt, wird nicht Graphit freigesetzt, sondern Zementit. Gusseisen, das bis zu 1,2 % Phosphor enthält, wird für Kunstguss, Rohre verwendet.

Markierung aus Grauguss. Gusseisen in Gussteilen ist laut GOST mit den Buchstaben SCh mit zwei zusätzlichen Zahlen gekennzeichnet: Die erste Zahl gibt die Zugfestigkeit an (σ_пч) Sekunde - Dehnung (σ) in %. Halbgusseisen besteht aus Perlit, Ledeburit und Flockengraphit. Kombiniert zwei Farben – Grau und Weiß.

Sphäroguss ist Gusseisen, bei dem der Graphit kugelförmig ist. Eine Erhöhung der Festigkeit und Duktilität von Gusseisen wird durch eine Modifizierung erreicht, die dafür sorgt, dass Kugelgraphit statt Lamellen entsteht. Die Kugelgraphitoberfläche hat ein kleineres Volumenverhältnis und bestimmt die größte Kontinuität der Metallbasis und die Festigkeit von Gusseisen. Diese Graphitform erhält man durch Zugabe von Magnesium (M) oder Cer (Ce) zu flüssigem Gusseisen.

Sphäroguss hat eine ferritische oder perlitische Basis. Ferritisches Gusseisen hat eine erhöhte Duktilität.

Gusseisen wird laut GOST mit Zahlen bezeichnet: Die erste Zahl gibt die Zugfestigkeit an (σ_пч), die zweite ist die Dehnung (σ) in %. Eine noch höhere Festigkeit wird durch die Modifizierung von legiertem Gusseisen erreicht.

Sphäroguss wird anstelle von Stahl zur Herstellung von Maschinenteilen, Schmiede- und Pressgeräten verwendet, die in Lagern mit erhöhten und hohen Drücken arbeiten; Kurbelwellen, Zahnräder, Kupplungen und anstelle von Sphäroguss für die Herstellung von Hinterachsen-Autos.

Duktiles Gusseisen – Graphit-Flake-Gusseisen, die Codebezeichnung für weiches und duktiles Gusseisen, das durch spezielle Wärmebehandlung aus weißem Gusseisen gewonnen wird; es wird nicht geschmiedet, es hat eine hohe Duktilität. Sphäroguss besteht aus einer Stahlbasis und enthält Kohlenstoff in Form von Graphit. Graphit liegt in Form von Einschlüssen mit abgerundeter Form vor, die isoliert voneinander angeordnet sind und die Metallbasis weniger getrennt ist, und die Legierung hat eine erhebliche Zähigkeit und Duktilität.

Die Eigenschaften von Sphäroguss hängen von der Größe der Graphiteinschlüsse ab (je kleiner diese Einschlüsse sind, desto fester ist das Gusseisen), sie werden jedoch durch die Struktur seiner Metallbasis bestimmt, die ferritisch, perlitisch oder gemischt sein kann.

Abhängig von der Zusammensetzung des Gusseisens und der Methode der Wärmebehandlung werden zwei Arten von duktilem Gusseisen erhalten: schwarzherziges und weißherziges. Temperguss ist ein günstiger Werkstoff, hat gute mechanische Eigenschaften und wird in der Landtechnik, in der Automobilindustrie, im Automobilbau und im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt.

30. Die Rolle der Wärmebehandlung bei der Verbesserung der Qualität von Baumaterialien

Die Hauptvoraussetzungen für die Erzielung der erforderlichen mechanischen und anderen Eigenschaften von Strukturlegierungen werden während ihrer Entwicklung und Verhüttung gelegt.

Die Umsetzung der geforderten Eigenschaften erfolgt in den nachfolgenden Verarbeitungsstufen mit dem Ziel, der Legierung nicht nur die in der Zeichnung vorgegebene Form und Abmessungen, sondern auch eine rationelle innere Struktur zu verleihen, die als Gefügephasenzusammensetzung zu verstehen ist und Versetzungsstruktur, von der die Menge der erforderlichen Eigenschaften direkt abhängt. Die wichtigsten Schritte der Legierungsverarbeitung sind die Wärmebehandlung und die Oberflächenhärtung. Die Wärmebehandlung gewährleistet ein bestimmtes Eigenschaftsniveau im gesamten Volumen des Teils und die Oberflächenhärtung nur an bestimmten, am stärksten beanspruchten und am stärksten abgenutzten Stellen der Teiloberfläche.

Die Grundregeln für die Wärmebehandlung wurden von D.K. Chernov und ergänzt durch A.A. Bochvarov, G. W. Kurdyumov, A.P. Guljajew.

Unter Wärmebehandlung wird ein Komplex von Vorgängen zum Erhitzen und Abkühlen einer Legierung verstanden, die nach einem bestimmten Schema durchgeführt werden, um ihre Struktur zu ändern und gewünschte Eigenschaften zu erhalten. Die Grundlage der Wärmebehandlung ist eine Änderung der strukturellen Phasenzusammensetzung und der Versetzungsstruktur der Legierung, die erreicht werden kann, indem Schlüsselfaktoren wie das Vorhandensein allotroper Umwandlungen in ihr oder die begrenzte gegenseitige Löslichkeit der Komponenten in Abhängigkeit von der Temperatur verwendet werden .

Alle bestehenden Arten der Wärmebehandlung, die darauf abzielen, die Phasen- und Versetzungsstruktur von Legierungen signifikant zu verändern und einen optimalen Satz von Betriebseigenschaften zu erhalten, basieren auf der Verwendung eines der oben genannten Faktoren. Ohne sie lassen sich durch Wärmebehandlung nur sehr begrenzte Ergebnisse erzielen. Die beiden häufigsten Arten der Wärmebehandlung. Einer von ihnen basiert auf der Verwendung der Besonderheiten von Umwandlungen in Legierungen aufgrund des Vorhandenseins allotroper Umwandlungen in ihnen, und der andere basiert auf der variablen Löslichkeit der Komponenten ineinander während des Erhitzens und Abkühlens.

In beiden Fällen ist die grundlegende Grundlage der Wärmebehandlungstechnologie, die die erwarteten Ergebnisse garantiert, ihr Modus. Es umfasst die folgenden Elemente: Erwärmungstemperatur, Erwärmungsgeschwindigkeit auf eine bestimmte Temperatur, Haltezeit bei dieser Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit.

Die Wärmebehandlung kann vorläufig oder abschließend erfolgen. Eine vorläufige Wärmebehandlung wird in Fällen eingesetzt, in denen das Material auf weitere technologische Einflüsse – Druck, Schneiden usw. – vorbereitet werden muss. Durch eine abschließende Wärmebehandlung werden die Eigenschaften des fertigen Materials vorbereitet.

Die spezifischen Werte, die jedes der Elemente des Wärmebehandlungsmodus charakterisieren, hängen von der chemischen Zusammensetzung der zu verarbeitenden Legierung, der Größe des Teils und dem Zweck der Art der durchgeführten Wärmebehandlung ab. Durch Variieren dieser Werte kann man die Phasen- und Versetzungsstrukturen der Legierung signifikant verändern und ihr gewünschte Eigenschaften verleihen.

Die Art der in der Legierung auftretenden Umwandlungen und die Möglichkeit, die erforderliche Struktur nach der Wärmebehandlung zu erhalten, hängen von der Erwärmungstemperatur ab. Sie wird in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Legierung und dem Zweck der Wärmebehandlung ausgewählt.

Die Aufheizgeschwindigkeit wird so gewählt, dass minimale Aufheizzeitverluste gewährleistet sind und gleichzeitig das Auftreten gefährlicher thermischer Spannungen im Werkstück, die zu beobachteten Verwerfungen und Rissbildungen des Werkstücks führen können, ausgeschlossen werden soll wenn das Aufheizen zu schnell ist.

Die Aufheizrate hängt von der Wärmeleitfähigkeit der verarbeiteten Legierung ab, die wiederum von ihrer chemischen Zusammensetzung bestimmt wird. Mit der Komplikation der Zusammensetzung verschlechtert sich die Wärmeleitfähigkeit. Daher wird das Erhitzen von Legierungen mit ungünstiger Zusammensetzung auf bestimmte Temperaturen sehr langsam durchgeführt und dann beschleunigt.

Die Haltezeit des Bauteils bei Erreichen der angegebenen Temperatur soll ausreichend sein für seine Erwärmung von der Oberfläche bis zum Kern im größten Abschnitt sowie für den vollständigen Abschluss der Gefügeumwandlungen mit Diffusionscharakter in der Legierung, was darin bei einer gegebenen Temperatur auftreten soll.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung ist ein sehr wichtiges Element des Regimes, von dem die Merkmale der von der Legierung erhaltenen Phasen- und Versetzungsstruktur abhängen. Sie sollte ausreichen, damit die notwendigen Umwandlungen in der Legierung stattfinden, aber nicht zu groß, um gefährliche Wärme- und Phasenspannungen zu vermeiden, die zu Rissen oder Verformungen (Verzug) des Teils führen können.

Die Wärmebehandlung dient der Verbesserung von Baumaterialien, insbesondere von Stahl. Die Zeit der Wärmebehandlung hängt direkt von der Größe der verarbeiteten Materialien und Teile ab.

31. Die Verwendung der Wärmebehandlung in der Technologie der Herstellung von Rohlingen und Produkten aus Baumaterialien

Das charakteristischste und am besten untersuchte Verfahren ist die Wärmebehandlung von Stahl. Dieser Prozess basiert auf dem Vorhandensein allotroper Umwandlungen, die beim Erhitzen und Abkühlen im Bereich bestimmter kritischer Temperaturen auftreten. Aufgrund des Vorhandenseins von Allotropie treten kontrollierte Strukturphasenprozesse in Stahl auf, die die erforderliche Phasen- und Versetzungsstruktur bereitstellen.

Strukturfestigkeit ist eine Reihe mechanischer Eigenschaften, die einen langfristigen und zuverlässigen Betrieb des Materials unter seinen Betriebsbedingungen gewährleisten. Strukturfestigkeit ist die Festigkeit des Baumaterials unter Berücksichtigung struktureller, metallurgischer, technologischer und betrieblicher Faktoren, d. h. es handelt sich um ein komplexes Konzept. Es wird davon ausgegangen, dass mindestens vier Kriterien berücksichtigt werden müssen: strukturelle Steifigkeit, Materialfestigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Materials unter den Betriebsbedingungen der gegebenen Struktur.

Strukturelle Steifigkeit. Bei vielen Kraftbauelementen – Spanten, Stringern, flachen Platten, zylindrischen Schalen usw. – ist die Bedingung, die ihre Leistung bestimmt, die lokale oder allgemeine Steifigkeit (Stabilität), die durch ihre strukturelle Form, das Spannungszustandsschema usw. sowie bestimmt wird Materialeigenschaften.

Ein Indikator für die Steifigkeit eines Materials ist der Längselastizitätsmodul E (Steifigkeitsmodul) – eine strukturunempfindliche Kenngröße, die nur von der Beschaffenheit des Materials abhängt. Unter den wichtigsten Strukturmaterialien hat Stahl den höchsten Modul E und Magnesiumlegierungen und Glasfaser den niedrigsten. Allerdings ändert sich die Beurteilung dieser Materialien erheblich, wenn ihre Dichte berücksichtigt wird und die spezifischen Steifigkeits- und Stabilitätskriterien herangezogen werden.

Bei der Beurteilung anhand dieser Kriterien, ausgewählt nach Form und Spannungszustand, sind in vielen Fällen Magnesiumlegierungen und Glasfaser die vorteilhaftesten Materialien, während Kohlenstoff- und legierte Stähle die ungünstigsten sind.

Stärke - die Fähigkeit eines Körpers, Verformung und Zerstörung zu widerstehen. Die meisten Festigkeitsangaben werden durch statische Zugversuche ermittelt.

Diese Eigenschaften hängen von der Struktur und der Wärmebehandlung ab.

Bei der Bewertung der tatsächlichen Festigkeit eines Konstruktionsmaterials sollten die Eigenschaften der Plastizität und der Viskosität des Materials berücksichtigt werden, da diese Indikatoren hauptsächlich die Möglichkeit eines Sprödbruchs bestimmen.

Dies gilt auch für hochfeste Werkstoffe, die bei hoher Festigkeit zum Sprödbruch neigen.

Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines Produkts, bestimmte Funktionen auszuführen und seine Leistung innerhalb bestimmter Grenzen für den erforderlichen Zeitraum oder die erforderliche Betriebszeit aufrechtzuerhalten. Die Zuverlässigkeit einer Struktur ist auch ihre Fähigkeit, außerhalb der Entwurfssituation zu funktionieren, beispielsweise um Stoßbelastungen standzuhalten. Der Hauptindikator für die Zuverlässigkeit ist die Reserveviskosität des Materials, die von der Zusammensetzung, der Temperatur (Kaltsprödigkeitsschwelle), den Belastungsbedingungen und der bei der Rissausbreitung aufgenommenen Arbeit abhängt.

Die Sprödbruchfestigkeit eines Werkstoffs ist die wichtigste Eigenschaft, die die Zuverlässigkeit von Bauwerken bestimmt.

Haltbarkeit - die Eigenschaft des Produkts, die Leistung bis zum Grenzzustand aufrechtzuerhalten (die Unmöglichkeit seines weiteren Betriebs).

Die Haltbarkeit der Struktur hängt von den Bedingungen ihrer Arbeit ab. Dies sind in erster Linie Verschleißfestigkeit bei Reibung und Kontaktfestigkeit (Widerstand des Materials gegen Oberflächenverschleiß, der bei Rollreibung mit Gleiten auftritt). Darüber hinaus hängt die Haltbarkeit des Produkts von der Dauerfestigkeit ab, die wiederum von der Beschaffenheit der Oberfläche und der Korrosionsbeständigkeit des Materials abhängt.

Bei der Wärmebehandlung von Materialien werden spezielle Geräte verwendet: Elektroöfen, Gasflammen- und Aufzugsöfen, Härtewannen, Salzbäder usw.

Die wichtigsten Arten der Wärmebehandlung: volumetrische, Oberflächen-, lokale Härtung; Normalisieren, Homogenisieren, Rekristallisationsglühen, chemisch-thermische Behandlung und Lasererwärmungsbehandlung; Härten durch elektrisches Impulsfeld; Wärmebehandlung bei plastischer Verformung sowie Kältebehandlung.

Baustähle sind Stähle, die bei der Herstellung verschiedener Maschinenteile und jeglicher Konstruktionen verwendet werden. Diejenigen Stähle, die beim Bau von Bauwerken oder Bauwerken verwendet werden, werden als Baustähle bezeichnet. Baustähle umfassen sowohl legierte als auch Kohlenstoffstähle.

Im Maschinenbau werden häufig legierte Baustähle GOST 4543-71 verwendet, nämlich: Chrom, Mangan, Chrom-Silizium, Chrom-Silizium-Mangan, Chrom-Nickel usw. Je nach technischen Eigenschaften werden diese Stähle in Aufkohlung unterteilt Stähle, Stähle zum Nitrieren, verbesserte Stähle durch Wärmebehandlung, luftgehärtete Stähle usw.

32. Glühen 1. Art. Nichtgleichgewichtskristallisation

Diese Art der Wärmebehandlung ist für beliebige Metalle und Legierungen möglich. Seine Implementierung beruht nicht auf Phasenumwandlungen im Festkörper. Das Erhitzen während des Glühens der 1. Art erhöht die Beweglichkeit von Atomen, beseitigt teilweise oder vollständig chemische Inhomogenität, reduziert innere Spannungen, d.h. trägt dazu bei, einen ausgeglicheneren Zustand zu erreichen. Bei einem solchen Glühen sind die Erwärmungstemperatur und die Haltezeit bei dieser Temperatur von primärer Bedeutung, da diese Parameter die Geschwindigkeit von Prozessen bestimmen, die Abweichungen vom Gleichgewichtszustand eliminieren. Die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit ist beim Glühen 1. Art von untergeordneter Bedeutung.

Folgende Glüharten der 1. Art werden unterschieden: Diffusionsglühen (Homogenisieren) dient der Beseitigung der bei der Kristallisation der Legierung auftretenden chemischen Inhomogenität (dendritische Entmischung).

Die Ausrichtung der chemischen Zusammensetzung erfolgt aufgrund von Diffusionsprozessen, deren Geschwindigkeit von der Temperatur abhängt.

Das Rekristallisationsglühen wird nach der plastischen Kaltverformung (Kaltverformung durch Druck) verwendet, um die Kaltverfestigung zu entfernen und einen Gleichgewichtszustand der Legierung zu erreichen. Durch die Rekristallisation werden im verformten Metall neue Körner gebildet, Spannungen abgebaut und die Plastizität des Metalls wiederhergestellt.

Glühen zum Abbau von Spannungen, die beim Schmieden, Schweißen, Gießen auftreten und zu Verzug, d. h. Form- und Größenänderung, bis hin zur Zerstörung von Produkten führen können.

Nichtgleichgewichtskristallisation. Der Diffusionsprozess schreitet langsam voran, daher hat die Zusammensetzung innerhalb jedes Kristalls und verschiedener Kristalle unter realen Kühlbedingungen keine Zeit, sich auszugleichen, und wird nicht gleich sein.

Ist beim Abkühlen die Zersetzung einer festen Lösung möglich, so zeigt das Zustandsdiagramm den Beginn dieses Prozesses bei langsamster Abkühlung.

Mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit sinkt die Temperatur, bei der die Ausfällung der überschüssigen Phase beginnt, die Menge der ausgefällten Phase nimmt ab, und wenn eine höhere Abkühlgeschwindigkeit bestimmt wird, wird die feste Lösung ohne Ausfällung vollständig auf Raumtemperatur unterkühlt.

Durch Anpassung der Abkühlgeschwindigkeit können unterschiedliche Zersetzungsgrade bis hin zu ihrer vollständigen Unterdrückung erreicht werden.

Solche übersättigten Lösungen sind instabil.

Wenn die thermische Beweglichkeit der Atome der unterkühlten Lösung nicht ausreicht, kann der Zustand der Übersättigung unbegrenzt bestehen bleiben.

Andernfalls kommt es im Laufe der Zeit zu einer allmählichen Zersetzung der übersättigten Lösung unter Freisetzung einer überschüssigen Phase. Dieser Prozess beschleunigt sich mit steigender Temperatur.

Sekundärphasen, die bei hoher Temperatur, während langsamer Abkühlung der festen Lösung oder starker sekundärer Erwärmung der abgeschreckten (übersättigten) festen Lösung gebildet werden, sind nicht nur größer in der Größe, sondern haben auch keine Beziehung zur Mutterphase. Die Atomschicht der alten Phase grenzt an die Atomschicht, die zum Gitter der neuen Phase gehört.

Für den Fall der Ausscheidung bei tiefer Temperatur ist die neue β-Phase gegenüber der ursprünglichen in gewisser Weise orientiert, so dass die Grenzschicht aus Atomen gleichermaßen zu beiden Gittern gehört.

Eine solche Artikulation von Kristallgittern wird als kohärent bezeichnet. An der Grenzfläche mit kohärenter Kopplung entstehen und bleiben Spannungen umso größer, je größer der Unterschied in der Struktur (in der Grenzflächenebene) der konjugierten Gitter ist.

Wenn die Temperatur der Legierung erhöht wird, dann bricht die kohärente Bindung aufgrund einer Erhöhung der thermischen Mobilität von Atomen und des Vorhandenseins von Spannungen an den Phasengrenzen (das Phänomen des Kohärenzabbaus), die metastabilen Phasen gehen in ein stabiles β über -Phase wachsen lamellare Kristalle der β-Phase, die dazu neigen, eine abgerundete Form anzunehmen. Nach Abschluss dieser Prozesse sind die Struktur und die Phasenzusammensetzung die gleichen wie beim langsamen Abkühlen.

Das Fixieren des instabilen Zustands durch schnelles Abkühlen wird als Abschrecken bezeichnet, und das anschließende schrittweise Annähern an den Gleichgewichtszustand (durch Erwärmen oder längeres Einwirken) wird Anlassen und Altern genannt. Eine derart vielfältige Veränderung des Gefüges, die durch unterschiedlich starke Annäherung der Legierung an den Gleichgewichtszustand erreicht wird, führt zu einer vielfältigen Veränderung der Eigenschaften, was der Grund für die weit verbreitete Anwendung der Wärmebehandlung ist, die auf den Prozessen des Nichtgleichgewichts beruht Kristallisation.

Legierungen sind Stoffe, die aus zwei oder mehr Elementen des Periodensystems bestehen. Sie werden durch Sintern oder Schmelzen gewonnen. Komponente – eine Substanz, die eine Legierung bildet.

Eine Phase ist ein räumlich begrenzter und unterschiedlicher Teil des Systems, der über ein eigenes Kristallgitter und eigene Eigenschaften verfügt. Homogene Stoffe bestehen aus einer Phase, heterogene Stoffe aus mehreren Phasen.

Struktur - die Struktur des Metalls, in der es möglich ist, zwischen einzelnen Phasen, ihrer Form, Größe und relativen Position zu unterscheiden. Struktur wirkt sich auf Eigenschaften aus.

Der Gleichgewichtszustand liegt vor, wenn in der Legierung alle diesem System innewohnenden Phasen gebildet sind. Dieser Zustand wird durch langsames Abkühlen sichergestellt, es ist möglich, die Größen und Formen der Phasen zu unterscheiden.

Nichtgleichgewichtszustand - Der Prozess der Phasenbildung und -trennung ist noch nicht beendet, er entsteht beim schnellen Abkühlen.

33. Homogenisierungsglühen, Gefüge- und Eigenschaftsänderung beim Homogenisierungsglühen. Härten mit polymorpher Umwandlung. Härten ohne polymorphe Umwandlung

Glühen - Vorgänge zum Erhitzen und langsamen Abkühlen von Stahl, um die chemische Zusammensetzung auszugleichen, eine Gleichgewichtsstruktur zu erhalten und Spannungen abzubauen.

Das Glühen wird verwendet, um eine Gleichgewichtsstruktur zu erreichen, sodass die Teile während des Glühens langsam abgekühlt werden. Kohlenstoffstähle – bei einer Geschwindigkeit von 200 °C/h, legierte Stähle – 30–100 °C/h.

Diffusionsglühen (homogenisierendes Glühen) wird verwendet, um eine Entmischung zu beseitigen (eine Nivellierung der chemischen Zusammensetzung). Es basiert auf Diffusion. Gleichzeitig wird die Masse eingeebnet und überschüssige Karbide gelöst. Dieses Glühen wird bei hoher Temperatur und langer Einwirkungszeit durchgeführt. Legierte Stähle werden einem Homogenisierungsglühen unterzogen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Diffusionsgeschwindigkeit des im Austenit gelösten Kohlenstoffs durch die Methode der Einlagerung mehrere Größenordnungen höher ist als die Diffusionsgeschwindigkeit der Legierungselemente, die durch die Methode der Substitution im Austenit gelöst werden. Die Homogenisierung von Kohlenstoffstählen erfolgt praktisch während des Erhitzungsprozesses. Homogenisierender Glühmodus: Erhitzen auf eine Temperatur von 1050–1200 °C, Haltezeit beträgt 8–10 Stunden. Die Homogenisierungstemperatur sollte hoch genug sein, aber ein Verbrennen und Schmelzen der Körner darf nicht zugelassen werden. Beim Verbrennen verbindet sich der Luftsauerstoff mit Metallpartikeln, es bilden sich Oxidschalen, die die Körner trennen. Ein Ausbrennen von Metall kann nicht vermieden werden. Verbranntes Metall ist ein endgültiger Mangel. Beim Diffusionsglühen entstehen in der Regel grobe Körner, die durch eine anschließende Vollglühung korrigiert werden müssen.

Das vollständige Glühen ist mit Phasenrekristallisation und Kornverfeinerung verbunden. Stahl im Gleichgewicht enthält Perlit und ist am duktilsten. Der Zweck des Vollglühens besteht darin, die Struktur des Stahls zu verbessern, um die anschließende Bearbeitung durch Schneiden, Stanzen oder Härten zu erleichtern und eine feinkörnige Gleichgewichtsstruktur im fertigen Teil zu erhalten.

Arten (Methoden) des vollständigen Glühens: Glühen (normal und isotherm) auf lamellarem Perlit (Zementit-Einschlüsse in Form von Platten) und Glühen auf körnigem Perlit (Zementit-Einschlüsse in Form von Körnern).

Beim Glühen auf Lamellenperlit werden die Werkstücke zusammen mit dem Ofen gekühlt, meist mit teilweiser Brennstoffzufuhr, so dass die Abkühlrate im Bereich von 10-20 °C pro Stunde liegt.

Durch Glühen wird eine Kornfeinung erreicht. Ein grobkörniges Gefüge entsteht beim Härten von Stahl durch freien Kornwuchs infolge von Stahlüberhitzung; eine solche Struktur verursacht eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Teile.

Härten mit polymorpher Umwandlung. Härten ohne polymorphe Umwandlung

Härten ist eine Wärmebehandlung, bei der der Stahl ein Nichtgleichgewichtsgefüge annimmt, das sich vor allem in einer Erhöhung der Härte des Stahls äußert. Das Härten umfasst: Wärmebehandlung für Sorbit, Trostite und Martensit. Der Grad des Ungleichgewichts der Härtungsprodukte nimmt mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit zu und nimmt von Sorbit zu Martensit zu.

Der Vorteil des echten Härtens ist die Möglichkeit, Produkte aus Martensit durch das anschließende Anlassen von Produkten mit Eigenschaftssätzen zu erhalten, die durch andere Arten der Wärmebehandlung nicht erhalten werden können.

Echtes Härten wird häufig als Vorbehandlung vor dem Anlassen verwendet.

Die kritische Abschreckrate ist wichtig. Die Härtbarkeit von Stahl hängt davon ab, d. h. die Fähigkeit, bis zu einer bestimmten Tiefe gehärtet zu werden. Die kritische Aufhärtungsgeschwindigkeit hängt von der Stabilität des Austenits ab, die durch die Menge an darin gelöstem Kohlenstoff und Legierungselementen bestimmt wird. Das Einbringen von Kohlenstoff und Legierungselementen in den Stahl erhöht die Härtbarkeit, die anhand von zylindrischen Proben entsprechend der Tiefe der Halbmartensitschicht in ihnen bewertet wird. Die halbmartensitische Stahlschicht enthält 50 % M und 50 % T.

Die wichtigsten Parameter beim Härten sind Aufheiztemperatur und Abkühlgeschwindigkeit. Die Erwärmungstemperatur für Stähle wird aus Zustandsdiagrammen ermittelt, die Abkühlgeschwindigkeit aus Diagrammen der isothermen Zersetzung des Austenits.

Die Erwärmungszeit hängt von der Größe des Teils und der experimentell ermittelten Wärmeleitfähigkeit des Stahls ab.

Eines der Ziele des Legierens von Baustählen ist es, die kritische Abschreckgeschwindigkeit zu verringern und daraus hergestellte Teile beim Abschrecken nicht nur in Wasser, sondern auch in weicheren Kühlmedien durchhärtbar zu machen. Die Höhe der thermischen und Phasenspannungen und die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung im Bauteil hängen von der Schärfe des Kühlmediums ab. Im Zusammenhang damit werden beim Abschrecken weiche Abschreckmedien bevorzugt. Beim Härten eines Schneidwerkzeugs aus kohlenstoffreichem Stahl wird zur Reduzierung innerer Spannungen eine Kühlung in zwei Umgebungen verwendet.

Bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt und insbesondere bei Stählen mit ausreichend hohem Gehalt an Legierungselementen liegt der M-Punkt unterhalb der Raumtemperatur und häufig unterhalb von 0 °C. Insofern verbleibt beim konventionellen Härten viel Restaustenit in ihnen. Seine Anwesenheit verringert die Härte des gehärteten Stahls und seine Wärmeleitfähigkeit, was für ein Schneidwerkzeug besonders unerwünscht ist.

Im Laufe der Zeit erfährt Restaustenit Phasenumwandlungen, was zu einer Änderung der Abmessungen des Produkts führt. Dies ist für ein Messwerkzeug (Klammern, Dübel) äußerst inakzeptabel.

34. Änderungen der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von Metallen beim Erhitzen nach Warm- und Kaltverformung durch Druck

Die Druckbearbeitung von Metallen beruht auf deren Fähigkeit, sich durch äußere Krafteinwirkung auf einen verformbaren Körper (Werkstück) unter bestimmten Bedingungen plastisch zu verformen.

Stellt sich bei elastischen Verformungen der verformbare Körper nach Wegfall äußerer Kräfte vollständig in seine ursprüngliche Form und Abmessung zurück, so bleibt bei plastischen Verformungen die durch die Einwirkung äußerer Kräfte verursachte Form- und Abmessungsänderung nach Wegfall dieser Kräfte bestehen.

Die elastische Verformung ist durch die Verschiebung von Atomen relativ zueinander um einen Betrag gekennzeichnet, der kleiner ist als der Abstand zwischen den Atomen, und nach dem Entfernen äußerer Kräfte kehren die Atome in ihre ursprüngliche Position zurück. Bei plastischen Verformungen werden die Atome relativ zueinander um Werte verschoben, die größer als die interatomaren Abstände sind, und nach dem Entfernen äußerer Kräfte kehren sie nicht in ihre ursprüngliche Position zurück, sondern nehmen neue Gleichgewichtspositionen ein.

Abhängig von den Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen der Verformung wird zwischen Kalt- und Warmverformung unterschieden.

Die Kaltverformung ist durch eine Formänderung der Körner gekennzeichnet, die sich in Richtung des intensivsten Metallflusses verlängern. Bei der Kaltverformung geht mit der Formänderung eine Änderung der mechanischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften des Metalls einher. Dieses Phänomen wird als Verhärtung (Hardening) bezeichnet. Die Änderung der mechanischen Eigenschaften besteht darin, dass bei der plastischen Kaltverformung mit zunehmender Festigkeit die Festigkeitseigenschaften zunehmen, während die Plastizitätseigenschaften abnehmen. Das Metall wird härter, aber weniger duktil. Die Verfestigung erfolgt durch die Drehung der Gleitebenen und eine Zunahme der Verzerrungen des Kristallgitters bei der Kaltverformung (Anhäufung von Versetzungen an den Korngrenzen). Die durch Kaltverformung hervorgerufenen Veränderungen in der Struktur und den Eigenschaften des Metalls sind nicht irreversibel. Sie können beispielsweise durch Wärmebehandlung (Glühen) beseitigt werden. In diesem Fall kommt es zu einer inneren Umstrukturierung, bei der aufgrund zusätzlicher Wärmeenergie, die die Beweglichkeit der Atome erhöht, aus vielen Zentren im festen Metall neue Körner ohne Phasenumwandlungen wachsen und längliche, deformierte Körner ersetzen. Da in einem gleichmäßigen Temperaturfeld die Kornwachstumsrate in alle Richtungen gleich ist, haben die neuen Körner, die die verformten zu ersetzen scheinen, in allen Richtungen ungefähr die gleiche Größe. Das Phänomen der Keimbildung und des Wachstums neuer gleichachsiger Körner anstelle deformierter, länglicher Körner, das bei bestimmten Temperaturen auftritt, wird als Rekristallisation bezeichnet. Bei reinen Metallen beginnt die Rekristallisation bei einer absoluten Temperatur, die 0,4 der absoluten Schmelztemperatur des Metalls entspricht. Die Rekristallisation verläuft mit einer bestimmten Geschwindigkeit und die für die Rekristallisation benötigte Zeit ist umso kürzer, je höher die Erwärmungstemperatur des verformten Werkstücks ist. Bei Temperaturen unterhalb der Temperatur, bei der die Rekristallisation beginnt, wird ein Phänomen beobachtet, das Erholung genannt wird. Bei der Rückkehr (Ruhe) ändern sich Form und Abmessungen der verformten, länglichen Körner nicht, die Eigenspannungen werden jedoch teilweise abgebaut. Diese Spannungen entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung (während des Gießens und der Druckverarbeitung) sowie durch ungleichmäßige Spannungsverteilung während der plastischen Verformung. Eigenspannungen erzeugen Systeme sich gegenseitig ausgleichender Kräfte und befinden sich im Werkstück und werden nicht durch äußere Kräfte belastet. Der Abbau von Eigenspannungen während der Rückführung verändert die mechanischen Eigenschaften des Metalls nahezu nicht, beeinflusst jedoch einige seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften. Warmverformung ist eine Verformung, die durch das Verhältnis der Verformungs- und Rekristallisationsgeschwindigkeiten gekennzeichnet ist, bei der die Rekristallisation im gesamten Volumen des Werkstücks stattfinden kann und sich die Mikrostruktur nach der Druckbehandlung als gleichachsig ohne Spuren von Härtung herausstellt.

Um die Bedingungen für eine Heißverformung sicherzustellen, ist es notwendig, die Erwärmungstemperatur des Werkstücks mit einer Erhöhung seiner Rate zu erhöhen (um die Rekristallisationsrate zu erhöhen).

Weist das Metall am Ende der Umformung ein nicht vollständig rekristallisiertes Gefüge mit Härtungsspuren auf, so spricht man von einer unvollständigen Warmumformung. Eine unvollständige Heißverformung führt zu einer heterogenen Struktur, einer Abnahme der mechanischen Eigenschaften und der Plastizität.

Bei der Warmverformung ist der Verformungswiderstand etwa 10-mal geringer als bei der Kaltverformung, und das Fehlen einer Härtung führt dazu, dass sich der Verformungswiderstand (Streckgrenze) während des Umformvorgangs geringfügig ändert. Dieser Umstand erklärt vor allem die Tatsache, dass die Warmumformung zur Herstellung von Großteilen eingesetzt wird, da sie weniger Verformungskräfte erfordert (weniger leistungsstarke Anlagen).

Bei der Warmumformung ist die Plastizität des Metalls höher als bei der Kaltumformung.

Der Einfluss der Kaltverformung auf die Metalleigenschaften kann genutzt werden, um die besten Gebrauchseigenschaften von Teilen zu erhalten, und die Steuerung der Änderung der Eigenschaften in der erforderlichen Richtung und um den gewünschten Wert kann durch die Wahl einer rationellen Kombination von Kalt- und Warmverformung erreicht werden , sowie die Anzahl und Art der Wärmebehandlungen im Herstellungsprozess des Teils.

35. Rückgabe, primäre und kollektive Umkristallisation. Rekristallisationsglühen

Etwa 10-15% der gesamten Energie, die für die plastische Verformung aufgewendet wird, wird vom Metall absorbiert und sammelt sich darin in Form einer erhöhten potentiellen Energie verschobener Atome, Spannungen. Das verformte Metall befindet sich in einem nicht im Gleichgewicht befindlichen, instabilen Zustand. Der Übergang in einen ausgeglicheneren Zustand ist mit einer Abnahme der Verzerrungen im Kristallgitter verbunden, dem Abbau von Spannungen, der durch die Möglichkeit der Bewegung von Atomen bestimmt wird. Bei niedrigen Temperaturen ist die Beweglichkeit des Atoms gering und kann im Zustand der Kalthärtung unbegrenzt bestehen bleiben.

Mit zunehmender Temperatur nimmt die Diffusion von Atomen zu und es beginnen sich Prozesse im Metall zu entwickeln, die es in einen ausgeglicheneren Zustand führen. Dies ist das Rückkehrphänomen.

Die erste Stufe der Rückkehr - Ruhe wird bei schwacher Erwärmung beobachtet. Während der Ruhezeit nimmt die Anzahl der Leerstellen ab, die Versetzungsdichte nimmt ab und Spannungen werden teilweise abgebaut.

Die zweite Stufe der Rückkehr ist die Polygonisierung, die Aufteilung von Körnern in Teile - Polygone (Subkörner).

Die Polygonisierung tritt als Ergebnis des Gleitens und Kletterns von Versetzungen auf, wodurch Versetzungen desselben Zeichens "Wände" bilden, die Körner in Polygone trennen. In einem polygonisierten Zustand hat ein Kristall weniger Energie als ein deformierter, und die Bildung von Polygonen ist ein energetisch günstiger Prozess. Die Starttemperatur der Polygonisierung ist nicht konstant. Die Polygonisierungsrate hängt von der Art des Metalls, dem Grad der vorherigen Verformung und dem Gehalt an Verunreinigungen ab. Bei der Rückführung sind keine merklichen Veränderungen in der Mikrostruktur zu beobachten, das Metall behält seine Faserstruktur. Dabei nehmen Härte und Festigkeit etwas ab und die Duktilität nimmt zu.

Rekristallisation. Beim Erhitzen auf ausreichend hohe Temperaturen nimmt die Beweglichkeit der Atome zu und der Rekristallisationsprozess findet statt.

Rekristallisation ist der Prozess der Bildung und des Wachstums neuer Körner, wenn kaltverformtes Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Dieser Prozess findet in zwei Stufen statt. Es gibt primäre Umkristallisation (Verarbeitung) und kollektive.

Die primäre Rekristallisation (Verarbeitung) besteht in der Keimbildung und dem Wachstum neuer Gleichgewichtskörner mit unverzerrtem Kristallgitter. Höchstwahrscheinlich entstehen neue Körner an den Grenzen von Blöcken und Körnern, rutschen Pakete in Körner, wo das Metallgitter bei der plastischen Verformung am stärksten verzerrt wurde. Die Anzahl der neuen Körner nimmt allmählich zu und schließlich bleiben keine alten deformierten Körner im Gefüge zurück.

Ein verformtes Metall, das sich in einem instabilen Zustand befindet, neigt dazu, mit der geringsten Menge an freier Energie in einen stabilen Zustand überzugehen. Dieser Zustand entspricht dem Vorgang der Neubildung von Körnern mit unverzerrtem Kristallgitter. An Stellen, an denen das Gitter am stärksten verzerrt und folglich am wenigsten stabil ist, bewegen sich die Atome beim Erhitzen, das Gitter wird wiederhergestellt und die Kerne neuer Gleichgewichtskörner erscheinen. Die Kerne neuer Körner können auch Volumen (Blöcke) mit dem am wenigsten verzerrten Gitter sein, wo Atome von benachbarten Volumen mit einem verzerrten Gitter passieren.

Kollektive Rekristallisation - die zweite Stufe des Rekristallisationsprozesses besteht im Wachstum neuer gebildeter Körner. Die treibende Kraft der kollektiven Rekristallisation ist die Oberflächenenergie der Körner. Das Wachstum von Körnern erklärt sich aus der Tatsache, dass bei Vorhandensein einer großen Anzahl kleiner Körner ihre Gesamtoberfläche sehr groß ist, sodass das Metall einen großen Vorrat an Oberflächenenergie hat. Mit der Vergröberung der Körner wird die Gesamtlänge ihrer Grenzen kleiner, was dem Übergang des Metalls in einen Gleichgewichtszustand entspricht.

Mit dem Einsetzen der Rekristallisation tritt eine deutliche Eigenschaftsänderung des Metalls ein, im Gegensatz zur Eigenschaftsänderung beim Härten. Die Festigkeit des Metalls nimmt ab. Plastizität, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften nehmen während des Härtens ab.Die Eigenschaften des Metalls werden stark von der Größe der durch Rekristallisation verursachten Körner beeinflusst. Die Korngröße nimmt mit zunehmender Haltezeit zu. Die größten Körner entstehen nach leichter Vorverformung. Dieser Verformungsgrad wird als kritisch bezeichnet.

Rekristallisationsglühen. Diese Art des Glühens wird durchgeführt, um die Verhärtung von kaltverformtem Metall zu verhindern. Das kaltverformte Metall ist sehr hart und spröde; sein Kristallgitter befindet sich in einem Nichtgleichgewichtszustand und verfügt über einen großen Vorrat an überschüssiger freier Energie. In stark kaltgehärtetem Metall werden durch die Verschmelzung von Versetzungen an den Stellen, an denen sie sich ansammeln, gefährliche Defekte beobachtet – Risskeime. In manchen Fällen muss die Verhärtung beseitigt werden. Hierzu ist eine Erwärmung erforderlich, um Diffusionsprozesse anzuregen. Allerdings ist das Rekristallisationsglühen aufgrund seiner deutlich niedrigeren Temperatur und viel kürzeren Dauer bei nahezu identischen Ergebnissen vorzuziehen.

36. Glühen der zweiten Art. Glühen und Normalisieren von Stählen; Art und Zweck des Temperns und Normalisierens

Unter Glühen versteht man das Erhitzen und langsame Abkühlen von Stahl. Glühen der zweiten Art – Änderung der Struktur der Legierung, um Gleichgewichtsstrukturen zu erhalten; Das Glühen der zweiten Art umfasst das vollständige, unvollständige und isotherme Glühen.

Das Rekristallisationsglühen basiert auf der Phasenrekristallisation, es handelt sich also um ein Glühen zweiter Art. Sein Hauptzweck ist eine vollständige Veränderung der Phasenzusammensetzung. Die Heiztemperatur und die Haltezeit müssen die notwendigen Strukturumwandlungen gewährleisten; die Abkühlgeschwindigkeit wird so gewählt, dass umgekehrte Diffusionsphasenumwandlungen stattfinden können. Nach dem Glühen entsteht ein homogenes feinkörniges Gefüge, die Härte nimmt ab, die Duktilität nimmt zu und das Glühen vom Typ II wird als Vorwärmebehandlung und vor der Bearbeitung von Stahlteilen auf Zerspanungsmaschinen eingesetzt.

Je nach Erwärmungstemperatur wird zwischen vollständigem und unvollständigem Glühen unterschieden.

Für untereutektoiden Stahl wird Vollglühen eingesetzt. Die Produkte werden erhitzt, um eine vollständige Rekristallisation zu gewährleisten – die Umwandlung der ursprünglichen Ferrit-Perlit-Struktur in Austenit. Sein Zweck besteht darin, die Struktur des Stahls zu verbessern, um die anschließende Bearbeitung durch Schneiden, Stanzen oder Härten zu erleichtern und im fertigen Teil eine feinkörnige, ausgeglichene Perlitstruktur zu erhalten.

Unvollständiges Glühen ist mit Phasenrekristallisation verbunden, es wird nach der Warmumformung durch Druck angewendet, wenn das Werkstück eine feinkörnige Struktur aufweist.

Nach dem Abkühlen erhält man eine grobe Struktur, die aus großen Ferrit- und Perlitkörnern besteht. Stahl hat eine geringe Duktilität. Die Herstellung von körnigem Zementit wird durch plastische Heißverformung vor dem Glühen gefördert, bei der das Zementitnetzwerk zerkleinert wird. Stahl mit körnigem Zementit lässt sich besser mit Schneidwerkzeugen bearbeiten und erhält nach dem Härten eine gute Struktur.

Um Zeit zu sparen, wird isotherm geglüht. Beim isothermen Glühen kommt es während des Haltevorgangs zu einem Temperaturausgleich über den Produktquerschnitt. Dies trägt zu einer gleichmäßigeren Struktur und gleichmäßigeren Eigenschaften bei. Legierte Stähle werden einem solchen Glühen unterzogen. Beim Glühen von legierten Stählen verlängert sich nicht nur die Erwärmungs- und Haltedauer, sondern auch die Abkühlungsdauer. Hochlegierte Stähle werden aufgrund der größeren Stabilität des legierten Austenits langsam abgekühlt. Ihre Härte bleibt nach dem Glühen hoch, was die Bearbeitbarkeit des Schneidwerkzeugs beeinträchtigt.

Normalisieren ist die Wärmebehandlung von Stahl, bei der das Produkt auf den austenitischen Zustand erhitzt und an ruhender Luft abgekühlt wird. Der Unterschied zwischen Normalglühen und Vollglühen liegt bei untereutektoiden Stählen nur in der Abkühlgeschwindigkeit. Als Ergebnis der Normalisierung wird eine feinere Struktur des Eutektoids erhalten, innere Spannungen werden reduziert, Fehler, die im Prozess der vorherigen Verarbeitung von Produkten entstanden sind, werden beseitigt. Härte und Festigkeit sind höher als nach dem Glühen. Die Normalisierung wird als Zwischenoperation verwendet, die die Struktur verbessert. Die Merkmale dieser Art der Wärmebehandlung sind die Erwärmungstemperatur und die Abkühlung an ruhender Luft. Diese Merkmale sind auf die spezifischen Ziele der Normalisierung zurückzuführen. Im Hinblick auf untereutektoide Stähle, insbesondere kohlenstoffarme Stähle, ermöglicht das Normalisieren in kürzerer Zeit und mit einer größeren Einfachheit des Kühlregimes, die gleichen Ergebnisse wie beim Glühen zu erzielen.

Das Abkühlen an der Luft sorgt für eine stärkere Unterkühlung des Austenits als beim Glühen, seine Zersetzungsprodukte sind verteilter und die Dichte der erzeugten Versetzungen nähert sich 108 cm2, wodurch sich ein günstigeres feinkörniges Stahlgefüge erhöht Festigkeitseigenschaften können durch Normalisierung erhalten werden.

In einigen Fällen, wenn vom Produktmaterial keine erhöhten Festigkeitseigenschaften gefordert werden, ersetzt die Normalisierung das Härten. Dies gilt insbesondere für Teile aus kohlenstoffarmem Stahl, bei denen der Einsatz des Härtens aufgrund der sehr hohen kritischen Härtungsgeschwindigkeit ausgeschlossen ist. Bei der Normalisierung von übereutektoiden Stählen entsteht durch die beschleunigte Abscheidung von überschüssigem (sekundärem) Zementit aus Austenit kein unerwünschtes Zementitnetzwerk um Perlitkörner herum. In diesem Zusammenhang ist eines der Ziele der Normalisierung die Zerstörung des erwähnten Netzwerks in übereutektoiden Stählen.

Das Rekristallisationsglühen (Rekristallisation) von Stahl erfolgt bei Temperaturen von 500–550 °C; Glühen zum Abbau innerer Spannungen – bei Temperaturen von 600-700°. Diese Art des Glühens baut innere Spannungen in Gussstücken aufgrund ungleichmäßiger Abkühlung ihrer Teile und in Werkstücken ab, die durch Druck bei Temperaturen unter dem kritischen Wert verarbeitet werden.

Diffusionsglühen wird in Fällen eingesetzt, in denen intrakristalline Seigerungen in Stahl beobachtet werden. Die Ausrichtung der Zusammensetzung in den Austenitkörnern wird durch die Diffusion von Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen in den festen Zustand zusammen mit der Selbstdiffusion von Eisen erreicht. Dadurch wird der Stahl in seiner Zusammensetzung homogen (homogen), daher wird das Diffusionsglühen auch als Homogenisieren bezeichnet.

Die Homogenisierungstemperatur sollte hoch genug sein, aber die Körner sollten nicht verbrannt werden.

37. Urlaub von Stählen. Umwandlungen im Stahl beim Anlassen, Gefüge- und Eigenschaftsänderungen

Anlassen ist das Erhitzen von gehärtetem Stahl, um Restspannungen zu reduzieren und eine Reihe mechanischer Eigenschaften zu verleihen, die für den langfristigen Betrieb des Produkts erforderlich sind. Das Anlassen erfolgt durch Erhitzen martensitisch gehärteter Teile auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur. Dabei können je nach Erwärmungstemperatur die Zustände Martensit, Troostit oder Anlasssorbit erreicht werden. Diese Zustände unterscheiden sich von den Härtungszuständen in Struktur und Eigenschaften: Beim Härten wird Zementit (in Troostit und Sorbit) in Form von länglichen Platten erhalten, wie in lamellarem Perlit. Und wenn Sie es verlassen, stellt es sich als körnig oder punktiert heraus, wie bei körnigem Perlit.

Beim Anlassen von zu Martensit gehärtetem Stahl treten in ihm Umwandlungen auf, die zur Zersetzung von Martensit und zur Bildung einer Gleichgewichtsstruktur-Phasen-Zusammensetzung führen. Die Intensität und das Ergebnis dieser Umwandlungen hängen von der Anlasstemperatur ab. Die Anlasstemperatur wird je nach funktionalem Einsatzzweck des Produktes gewählt.

Im Laufe der langjährigen Betriebs- und Produktionspraxis haben sich drei Hauptgruppen von Produkten entwickelt, die für ihren erfolgreichen Betrieb ihre "eigenen" spezifischen Komplexe von Viskositäts-Festigkeits-Eigenschaften benötigen.

Die erste Gruppe: schneidende Messwerkzeuge und Matrizen zum Kaltumformen. Ihr Material erfordert eine hohe Härte und einen kleinen Viskositätsspielraum. Die zweite Gruppe besteht aus Federn und Federn, deren Material eine Kombination aus einer hohen Elastizitätsgrenze mit einer zufriedenstellenden Viskosität erfordert. Die dritte Gruppe umfasst die meisten Maschinenteile, die statischen und insbesondere dynamischen oder zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Beim Langzeitbetrieb von Produkten erfordert ihr Material eine Kombination aus zufriedenstellenden Festigkeitseigenschaften bei maximaler Viskosität.

Abhängig von der Heiztemperatur gibt es drei Arten des Anlassens: Niedertemperatur (low), Mitteltemperatur (medium) und Hochtemperatur (high). Der Vorteil der Punktstruktur ist eine günstigere Kombination aus Festigkeit und Duktilität.

Beim niedrigen Anlassen (Erhitzen auf eine Temperatur von 200-300°C) verbleibt Martensit hauptsächlich in der Stahlstruktur, außerdem beginnt die Ausscheidung von Eisenkarbiden aus einer festen Lösung von Kohlenstoff in XNUMX-Eisen und ihre anfängliche Ansammlung in kleinen Gruppen . Dies hat eine leichte Abnahme der Härte und eine Erhöhung der plastischen und duktilen Eigenschaften von Stahl sowie eine Abnahme der inneren Spannungen in Teilen zur Folge.

Bei der Tieftemperierung werden die Teile für eine bestimmte Zeit aufbewahrt, meist in Öl- oder Salzbädern. Für Schneid-, Messwerkzeuge und Zahnräder wird niedriges Anlassen verwendet. Beim mittleren und hohen Anlassen geht der Stahl vom Martensitzustand in den Troostit- oder Sorbitzustand über. Je höher die Vergütung, desto geringer ist die Härte des Vergütungsstahls und desto größer ist seine Duktilität und Zähigkeit. Durch hohes Anlassen erhält Stahl eine Kombination aus mechanischen Eigenschaften, erhöhter Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit. Daher wird das hohe Anlassen von Stahl nach dem Härten zu Martensit als Schmiedegesenk, Federn, Federn und Hochhärten bezeichnet – für viele Teile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Bei einigen Stahlsorten erfolgt das Anlassen nach dem Normalisieren. Dies bezieht sich auf feinkörnigen legierten untereutektoiden Stahl (insbesondere Nickel) mit hoher Zähigkeit und daher schlechter Bearbeitbarkeit durch Schneidwerkzeuge. Um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, wird Stahl bei erhöhten Temperaturen (bis zu 950-970 ° C) normalisiert, wodurch er eine große Struktur erhält (was eine bessere Bearbeitbarkeit bestimmt) und gleichzeitig eine erhöhte Härte (aufgrund der niedrigen kritischen Rate von Härten von Nickelstahl). Um die Härte zu verringern, wird dieser Stahl hoch angelassen.

Der Zweck des Anlassens besteht nicht nur darin, innere Spannungen im gehärteten Stahl zu beseitigen. Beim niedrigen Anlassen wird Martensit teilweise von den Kohlenstoffatomen befreit, die sein Gitter übersättigen, und der Anlassmartensit basiert auf einer übersättigten festen Lösung von Kohlenstoff.

Mitteltemperatur (Medium) Anlassen wird bei einer Temperatur von 350 bis 450 °C durchgeführt. Mit einer solchen Erwärmung wird die Zersetzung von Martensit vervollständigt, was zur Bildung von Ferrit und Zementit mit normaler Zusammensetzung und innerer Struktur führt. Aufgrund der unzureichenden Intensität von Diffusionsprozessen fällt die Korngröße der resultierenden Phasen sehr klein aus.

Hochtemperatur (Hoch) Anlassen wird bei 500-650 °C durchgeführt. Unter solchen Erwärmungsbedingungen kommt es bei verstärkten Diffusionsprozessen zur Bildung größerer Ferrit- und Zementitkörner, begleitet von einer Abnahme der Versetzungsdichte und dem vollständigen Abbau von Eigenspannungen.

Das Abbauprodukt von Martensit, Temperasorbit genannt, das beim Hochtempern entsteht, hat die höchste Viskosität für Stahl.

Ein solcher Komplex ist ideal für dynamisch belastete Maschinenteile. Aufgrund dieses Vorteils wurde die Wärmebehandlung, die Abschrecken und Hochvergüten kombiniert, lange Zeit als Verbesserung bezeichnet.

38. Chemisch-thermische Behandlung von Stahl. Zweck, Typen und allgemeine Muster. Diffusionssättigung von Legierungen mit Metallen und Nichtmetallen

Chemisch-thermische Behandlung (CHT) - Behandlung mit einer Kombination aus thermischen und chemischen Effekten, um die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften der Oberflächenschicht des Teils in die erforderliche Richtung zu ändern, in der die Oberflächensättigung des Metallmaterials mit dem entsprechenden Element erfolgt (C, T, B, Al, Cr, Si, T usw.) durch seine Diffusion im atomaren Zustand aus der Umgebung bei hoher Temperatur auftritt.

Die chemische Behandlung von Metallen und Legierungen, sowohl zur Oberflächenhärtung als auch zum Korrosionsschutz, erhöht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Maschinenteilen.

CTO umfasst die wichtigsten miteinander verbundenen Phasen:

1) die Bildung aktiver Atome in einem gesättigten Medium und ihre Diffusion an die Oberfläche des behandelten Metalls;

2) adsorptionsgebildete aktive Atome durch die Sättigungsoberfläche;

3) Diffusionsbewegung adsorbierter Atome im Metall. Die Entwicklung des Diffusionsprozesses führt zur Bildung einer Diffusionsschicht – dem Material des Teils an der Sättigungsoberfläche, das sich in chemischer Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften vom Original unterscheidet.

Das Material des Teils unter der Diffusionsschicht, der nicht vom sättigenden aktiven Medium beeinflusst wird, wird als Kern bezeichnet. Die Gesamtdicke der Diffusionsschicht ist der kürzeste Abstand von der Sättigungsoberfläche zum Kern. Die effektive Dicke der Diffusionsschicht ist der kürzeste Abstand von der Sättigungsoberfläche zur Messstrecke, der sich um den ermittelten maximalen Nennwert des Basisparameters unterscheidet.

Der Grundparameter der Diffusionsschicht ist ein Materialparameter, der als Kriterium für die Qualitätsänderung in Abhängigkeit vom Abstand zur Sättigungsoberfläche dient. Die Übergangszone der Diffusionsschicht ist der an den Kern angrenzende innere Teil der Diffusionsschicht, dessen Ausdehnung durch die Differenz der Gesamt- und effektiven Dicke bestimmt wird.

Stufe XTO - Diffusion. Bei Metallen erfolgt die Diffusion während der Bildung von Substitutionsmischkristallen hauptsächlich nach dem Leerstellenmechanismus. Bei der Bildung interstitieller fester Lösungen wird der Mechanismus der Diffusion entlang von Zwischenräumen verwirklicht.

Das Aufkohlen von Stahl - XTO, das in einer Diffusionssättigung der Oberflächenschicht von Stahl mit Kohlenstoff beim Erhitzen in einem Vergaser besteht, wird bei 930-950 ° C durchgeführt, wenn Austenit stabil ist und Kohlenstoff in großen Mengen auflöst.

Zum Aufkohlen werden kohlenstoffarme, legierte Stähle verwendet. Teile werden nach der Bearbeitung mit Schleifzugabe zum Aufkohlen geliefert.

Die wichtigsten Injektionsarten sind fest und gasförmig. Die Gasaufkohlung ist ein fortschrittlicherer technologischer Prozess als die Feststoffaufkohlung. Beim Gasaufkohlen kann eine bestimmte Kohlenstoffkonzentration in der Schicht erhalten werden; die Dauer des Prozesses wird verkürzt; die Möglichkeit der vollständigen Mechanisierung und Automatisierung des Prozesses ist gegeben; vereinfacht die Wärmebehandlung von Teilen.

Eine Wärmebehandlung ist erforderlich, um: die Struktur zu korrigieren und die Körnung des Kerns und der zementierten Schicht zu verfeinern; Erzielen Sie eine hohe Härte der Zementschicht und gute mechanische Eigenschaften des Kerns. Nach der Aufkohlung besteht die Wärmebehandlung aus zweimaligem Abschrecken und Anlassen. Der Nachteil einer solchen Wärmebehandlung ist die Komplexität des technologischen Prozesses, die Möglichkeit der Oxidation und Entkarbonisierung.

Der abschließende Arbeitsgang ist ein niedriges Anlassen bei 160-180 °C, das den gehärteten Martensit in der Oberflächenschicht in angelassenen Martensit umwandelt, Spannungen abbaut und die mechanischen Eigenschaften verbessert.

Nitrieren von Stahl - XTO, das in der Diffusionssättigung der Oberflächenschicht von Stahl mit Stickstoff besteht, wenn es in einem geeigneten Medium erhitzt wird. Die Härte der nitrierten Stahlschicht ist höher als die der aufgekohlten und bleibt auch bei Erwärmung auf hohe Temperaturen (450-500 °C) erhalten, während die Härte der aufgekohlten Schicht, die eine martensitische Struktur aufweist, bis zu 200–225 °C. Das Nitrieren wird oft bei 500-600 °C durchgeführt.

Diffusionssättigung von Legierungen mit Metallen und Nichtmetallen

Borieren ist das Sättigen der Oberfläche von Metallen und Legierungen mit Bor, um Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Das Borieren wird bei Stählen der perlitischen, ferritischen und austenitischen Klassen, Refraktärmetallen und Nickellegierungen angewendet.

Silikonisierung. Durch die Diffusionssättigung der Oberfläche mit Silizium erhöhen sich die Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Metallen und Legierungen.

Verchromung - Sättigung der Oberfläche von Produkten mit Chrom. Gusseisen, Stähle verschiedener Klassen, Legierungen auf Basis von Nickel, Molybdän, Wolfram, Niob, Kobalt und metallkeramische Werkstoffe werden einer Diffusionsverchromung unterzogen. Die Verchromung erfolgt in Vakuumkammern bei 1420 °C.

Aluminieren ist ein Prozess der Diffusionssättigung der Oberfläche von Produkten mit Aluminium, um die Hitzebeständigkeit, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit zu erhöhen. Beim Aluminieren von Eisen und Stählen wird eine allmähliche Abnahme der Aluminiumkonzentration über die Schichtdicke beobachtet.

Ziel des Oberflächenhärtens ist es, die Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit der Oberfläche von Werkstücken zu erhöhen. Gleichzeitig bleibt der Kern viskos und das Produkt nimmt Stoßbelastungen wahr.

39. Altern. Zweck, Veränderung der Mikrostruktur und Eigenschaften von Legierungen während der Alterung

Anlassen und Auslagern sind Arten der Wärmebehandlung, die die Eigenschaften von gehärteten Legierungen verändern.

Der Begriff Anlassen wird normalerweise nur für solche Legierungen verwendet, die einem Abschrecken mit einer polymorphen Umwandlung unterzogen wurden, und der Begriff Alterung – im Fall eines Abschreckens ohne polymorphe Umwandlung (nach einem solchen Abschrecken wird eine übersättigte feste Lösung fixiert).

Der Zweck des Anlassens von Stahl ist die Verbesserung seiner Eigenschaften. Das Anlassen von Stahl mildert die Wirkung des Härtens, reduziert oder entfernt Eigenspannungen, erhöht die Zähigkeit, verringert die Härte und Sprödigkeit von Stahl. Das Anlassen erfolgt durch Erhitzen martensitisch gehärteter Teile auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur.

Im Gegensatz zum Anlassen nach dem Altern nehmen Festigkeit und Härte zu und die Duktilität ab.

Der Hauptprozess beim Altern ist die Zersetzung eines übersättigten Mischkristalls, der durch das Abschrecken entsteht.

So ist die Alterung von Legierungen mit einer unterschiedlichen Löslichkeit der überschüssigen Phase verbunden und eine Verhärtung während der Alterung erfolgt durch dispergierte Ausscheidungen bei der Zersetzung eines übersättigten Mischkristalls und den daraus resultierenden Eigenspannungen.

In Alterungslegierungen treten Ausscheidungen aus übersättigten festen Lösungen in den folgenden Hauptformen auf: dünnplattenförmig (scheibenförmig), gleichachsig (normalerweise kugelförmig oder kubisch) und nadelförmig. Die Energie elastischer Verformungen ist bei Niederschlägen in Form dünner Platten – Linsen – minimal. Der Hauptzweck der Alterung besteht darin, die Festigkeit zu erhöhen und die Eigenschaften zu stabilisieren.

Es wird zwischen natürlicher Alterung, künstlicher Alterung und nach plastischer Verformung unterschieden.

Natürliche Alterung ist eine spontane Zunahme der Festigkeit (und Abnahme der Duktilität) einer gehärteten Legierung, die beim Halten auf Normaltemperatur auftritt. Das Erhitzen der Legierung erhöht die Beweglichkeit der Atome, was den Prozess beschleunigt.

Bei niedrigen Temperaturen zersetzen sich feste Lösungen meist bis zur Zonenbildung. Bei diesen Zonen handelt es sich um verstreute Bereiche, die mit einer überschüssigen Komponente angereichert sind. Sie behalten die kristalline Struktur der ursprünglichen Lösung bei. Die Zonen sind nach Guinier und Preston benannt. Mithilfe der Elektronenmikroskopie können diese Zonen in Al-Ag-Legierungen beobachtet werden, die die Form kugelförmiger Partikel mit einem Durchmesser von ~10 Å haben. Al-Cu-Legierungen haben Zonenplatten mit einer Dicke von <10 Å.

Unter künstlicher Alterung versteht man eine Festigkeitssteigerung, die bei der Alterung bei erhöhten Temperaturen auftritt. Wird eine ausgehärtete Legierung mit der Struktur einer übersättigten festen Lösung einer plastischen Verformung unterzogen, beschleunigt dies die bei der Alterung ablaufenden Prozesse. Diese Art der Alterung wird Verformungsalterung genannt. Die Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen besteht aus zwei Zyklen – Härten und Altern. Unter Alterung werden alle Prozesse verstanden, die in einer übersättigten festen Lösung ablaufen – Prozesse, die Trennungs- und Trennvorgänge vorbereiten. Die Umwandlung, bei der ausschließlich Ausscheidungsprozesse ablaufen, wird als Ausscheidungshärtung bezeichnet.

Für die Praxis ist die Inkubationszeit von großer Bedeutung - die Zeit, während der vorbereitende Prozesse in der gehärteten Legierung durchgeführt werden, die Zeit, während der die gehärtete Legierung eine hohe Duktilität behält. Dadurch ist es möglich, unmittelbar nach dem Abschrecken eine Kaltverformung durchzuführen.

Treten beim Altern nur Ausscheidungsvorgänge ohne aufwendige Vorprozesse auf, so spricht man von Ausscheidungshärtung.

Die praktische Bedeutung des Phänomens der Alterung von Legierungen ist sehr hoch. Nach dem Altern nimmt also die Festigkeit zu und die Duktilität von kohlenstoffarmem Stahl nimmt ab, was auf eine dispergierte Ausscheidung von tertiärem Zementit und Nitriden im Ferrit zurückzuführen ist.

Altern ist die Hauptmethode zum Härten von Aluminiumlegierungen, einigen Kupferlegierungen und vielen Hochtemperatur- und anderen Legierungen. Gegenwärtig werden Maraging-Legierungen immer häufiger verwendet.

Heutzutage wird häufig anstelle des Begriffs „natürliche Alterung“ der Begriff „Niedertemperaturalterung“ und anstelle von „künstlicher Alterung“ „Hochtemperaturalterung“ verwendet. Die allerersten Metalle, die durch Alterung gestärkt wurden, waren Aluminiumlegierungen. Die Aushärtung erfolgte bei Temperaturen über 100 °C.

Unterschiede im Zersetzungsprozess werden in unterschiedlichen Temperaturintervallen beobachtet. Um ein optimales Eigenschaftsprofil in Legierungen zu erhalten, wird daher eine komplexe Alterung verwendet, die in einer bestimmten Reihenfolge bei niedrigen und höheren Temperaturen stattfindet.

Am wichtigsten ist die Alterung von Legierungen, die durch den Zersetzungsprozess einer gesättigten festen Lösung verursacht wird. Nach dem Abkühlen der Legierungen stellt sich ein Zustand der Übersättigung des Mischkristalls ein. Dies liegt daran, dass bei hohen Temperaturen die Löslichkeit von Verunreinigungen und Legierungsbestandteilen zunimmt.

40. Klassifizierung und Kennzeichnung von legierten Stählen. Einfluss von Legierungselementen auf Umwandlungen, Gefüge und Eigenschaften von Stahl; Grundsätze für die Entwicklung legierter Stähle

Legierter Stahl ist Stahl, der neben Kohlenstoff und herkömmlichen Verunreinigungen andere Elemente enthält, die seine Eigenschaften verbessern.

Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt, Titan, Aluminium, Kupfer und andere Elemente werden zum Legieren von Stahl verwendet. Mangan gilt nur dann als Legierungsbestandteil, wenn sein Gehalt im Stahl mehr als 1 % beträgt, und Silizium gilt als Legierungsbestandteil, wenn sein Gehalt mehr als 0,8 % beträgt.

In den Stahl werden Legierungselemente eingebracht, die seine mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften verändern, und je nach Verwendungszweck des Stahls werden Elemente eingebracht, die die Eigenschaften in die richtige Richtung verändern.

Legierter Stahl vieler Güten erlangt erst nach der Wärmebehandlung hohe physikalische und mechanische Eigenschaften.

Entsprechend der Gesamtmenge der im Stahl enthaltenen Legierungselemente wird dieser in niedriglegierte (Gesamtgehalt der Legierungselemente beträgt weniger als 2,5%), mittellegierte (von 2,5 bis 10%) und hochlegierte (mehr als 10 %).

Der Nachteil von Kohlenstoffstahl ist, dass dieser Stahl nicht die gewünschte Kombination mechanischer Eigenschaften aufweist. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt nehmen Festigkeit und Härte zu, gleichzeitig nehmen jedoch Duktilität und Zähigkeit stark ab und die Sprödigkeit nimmt zu. Schneidwerkzeuge aus Kohlenstoffstahl sind sehr spröde und für Schlagbelastungen am Werkzeug ungeeignet.

Kohlenstoffstahl wird den Anforderungen eines verantwortungsvollen Maschinen- und Werkzeugbaus oft nicht gerecht. In solchen Fällen muss legierter Stahl verwendet werden.

Legierungselemente in Bezug auf Kohlenstoff werden in zwei Gruppen eingeteilt:

1) Elemente, die mit Kohlenstoff - Karbiden (Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Titan) stabile chemische Verbindungen bilden; Karbide können einfach sein (z. B. Cr₄ C) oder komplex legierte (z. B. ((FeСг)7С3); ihre Härte ist normalerweise höher als die Härte von Eisencarbid und ihre Sprödigkeit ist geringer;

2) Elemente, die in Gegenwart von Eisen keine Karbide bilden und in der festen Lösung enthalten sind – Ferrit (Nickel, Silizium, Kobalt, Aluminium, Kupfer).

Nach Vereinbarung wird legierter Stahl in Bau-, Werkzeug- und Stahl mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften unterteilt.

Baustahl wird zur Herstellung von Maschinenteilen verwendet; Es wird in zementiert (vorbehaltlich der Zementierung) und verbessert (vorbehaltlich der Verbesserung - Härtung und Hochvergütung) unterteilt. Zu den Stählen mit besonderen Eigenschaften gehören: rostfrei, hitzebeständig, säurebeständig, verschleißfest, mit besonderen magnetischen und elektrischen Eigenschaften.

Kennzeichnung nach GOST zur Angabe von Legierungselementen: X – Chrom, N – Nickel, G – Mangan, C – Silizium, B – Wolfram, M – Molybdän, K – Kobalt.

Für legierten Baustahl wurde eine Kennzeichnung eingeführt, bei der die ersten beiden Ziffern den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt in Hundertstelprozent angeben, die Buchstaben das Vorhandensein der entsprechenden Legierungselemente angeben und die den Buchstaben folgenden Zahlen den prozentualen Anteil dieser Komponenten angeben im Stahl. Steht nach einem Buchstaben keine Zahl, beträgt der Gehalt dieses Elements im Stahl etwa 1 %. Fehlt die Zahl, dann enthält der Stahl etwa oder mehr als 1 % Kohlenstoff.

Zur Kennzeichnung von hochwertigem Stahl wird am Ende der Kennzeichnung der Buchstabe A hinzugefügt.. Hochwertiger Stahl enthält weniger Schwefel und Phosphor als gewöhnlicher hochwertiger Stahl.

Spezialstähle haben eine besondere Kennzeichnung mit vorangestellten Buchstaben: Ш – Kugellager, R – Hochgeschwindigkeitsstahl, Zh – Chrom-Edelstahl der ferritischen Klasse, I – Chrom-Nickel-Edelstahl der austenitischen Klasse, E - Elektrostahl.

Viele Stähle können als technische Werkstoffe mit relativ hohen Festigkeitseigenschaften klassifiziert werden. Zu diesen Stählen gehören: Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochfeste mittellegierte Stähle, hochfeste hochlegierte Stähle (martensitische Alterungsstähle).

Alle legierten Stähle können anhand von vier Merkmalen in Gruppen eingeteilt werden: nach der Gleichgewichtsstruktur des Stahls, nach der Struktur nach dem Abkühlen des Stahls an der Luft, nach der Zusammensetzung des Stahls, nach dem Verwendungszweck des Stahls.

Je nachdem, wie viel Kohlenstoff im Stahl enthalten ist, werden folgende Arten unterschieden: kohlenstoffarm bis 0.1-0.2%, mittelkohlenstoffhaltig und kohlenstoffreich 0.6-1.7% C.

Die Struktur von Stählen kann untereutektoider (Ferrit + Perlit), eutektoider (Perlit) und übereutektoider (Perlit + Zementit) Stahl sein.

Es gibt drei Arten, Stahl zu schmelzen: kochende, halbruhige, ruhige Methoden. Beim Kochverfahren enthält die Stahlstruktur eine große Anzahl von Gasblasen, die das Ergebnis der Stahldesoxidation in den Formen und der CO-Freisetzung sind.

Stähle werden auch mit Konvertern, Elektroöfen und Stranggussanlagen gewonnen.

41. Baustähle: Bau, Maschinenbau, hochfest. Werkzeugstähle: Werkzeugstähle, Lagerstähle, Gesenkstähle

Kohlenstoff-Werkzeugstähle U8, U10, U11, U12 haben aufgrund der geringen Stabilität von unterkühltem Austenit eine geringe Härtbarkeit und werden für kleine Werkzeuge verwendet.

Die Stähle U10, U11, U12 werden für Schneidwerkzeuge (Bohrer, Feilen) verwendet, U7 und U8 – für Holzbearbeitungswerkzeuge. Stähle können als Schneidwerkzeug nur zum Schneiden bei niedrigen Geschwindigkeiten verwendet werden, da ihre hohe Härte (U10-U12-62-63НРС) bei Erwärmung über 190-200 °C stark abnimmt.

Legierte Stähle mit erhöhter Härtbarkeit, die keine Hitzebeständigkeit aufweisen (11HF, 13X, HVSG, 9XS, X, V2F), eignen sich zum Schneiden von Materialien mit geringer Festigkeit, sie werden für Werkzeuge verwendet, die während des Betriebs keiner Hitze ausgesetzt sind. Legierte Stähle haben eine höhere Härtbarkeit als Kohlenstoffstähle.

Schnellarbeitsstähle (R6M5, R12F3, R8M3) haben eine hohe Hitzebeständigkeit und weisen eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen auf, die beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit in der Schneidkante auftreten. Die Hauptlegierungselemente dieser Stähle sind Wolfram, Molybdän, Kobalt und Vanadium.

Kohlenstoffstahl wird in Baustahl (weicher und mittelharter Stahl) und Werkzeugstahl (harter Stahl) unterteilt.

Baustahl nach GOST ist unterteilt in:

1) Kohlenstoffstahl gewöhnlicher Qualität, warmgewalzt, im offenen Herd oder Bessemer-Verfahren erschmolzen;

2) hochwertiger Kohlenstoffstahl, Maschinenbau, warmgewalzt und geschmiedet, in offenen oder elektrischen Öfen erschmolzen. Dieser Stahl wird für die Herstellung kritischerer Teile von Maschinen und Mechanismen verwendet.

Legierter Baustahl wird für die Herstellung kritischer Maschinenteile und Metallstrukturen verwendet.

Dreifach legierter Stahl. Chrom trägt als Legierungsbestandteil zur Erhöhung der Festigkeit von Stahl bei und ist relativ kostengünstig. Chrom verleiht dem Stahl eine gute Verschleißfestigkeit und mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt eine hohe Härte durch die Bildung von Karbiden.

Niedrig- und mittellegierter Chromstahl findet breite Anwendung im Flugzeug-, Auto- und Traktorenbau sowie in anderen Bereichen des Maschinenbaus zur Herstellung von Achsen, Wellen, Zahnrädern und anderen Teilen.

Chromstahl mit einem Gehalt von 0,4-1,65 % Cr und 0,95-1,15 % C bildet eine Gruppe von Kugellagerstählen. Niedriglegierter Chromstahl wird auch zur Herstellung von Werkzeugen verwendet. Hochlegierter Chromstahl ist rostfrei und korrosionsbeständig nicht nur an der Luft, sondern auch in aggressiver Umgebung. Es behält seine Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und wird zur Herstellung von Turbinenschaufeln, Hochdruckzylindern und Überhitzerrohren verwendet.

Nickel ist ein ausgezeichnetes Legierungselement, aber es ist sehr teuer und knapp. Sie versuchen, es in Kombination mit Chrom und Mangan zu verwenden. Nickel erhöht die Festigkeit, Zähigkeit und Härte (nach dem Abschrecken) von Stahl, verringert leicht die Duktilität und erhöht die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erheblich. Nach dem Abschrecken und niedrigen Anlassen hat Nickelstahl eine hohe Härte, aber keine Sprödigkeit.

Niedrig- und mittellegierter Nickelstahl wird in der Automobil- und kritischen Maschinenbauindustrie verwendet. Hochlegierter Nickelstahl hat besondere Eigenschaften. Bei einem Siliziumgehalt von mehr als 0,8 % nehmen die Festigkeit, Elastizität und Härte von Stahl zu, was seine Zähigkeit verringert.

Kohlenstoffarmer Siliziumstahl wird für den Brückenbau verwendet und keiner Wärmebehandlung unterzogen.

Stahl 55C2, 6 °C2 wird zur Herstellung von Federn und Federn verwendet. Nach dem Abschrecken und Anlassen hat dieser Stahl eine hohe Zugfestigkeit und Elastizität.

Mangan erhöht die Härte und Festigkeit von Stahl, erhöht seine Härtbarkeit und verbessert die Schweißbarkeit. Als Stahl wird legierter Manganstahl bezeichnet, der mindestens 1 % Mn enthält. In der Praxis wird niedrig- und hochlegierter Manganstahl verwendet.

Die hochlegierte Stahlsorte G13, die eine sehr hohe Zähigkeit und Beständigkeit gegen Stoßabrieb aufweist, ist weit verbreitet: Sie wird zur Herstellung von Eisenbahnweichen und -kreuzen, Baggervisier verwendet.

Legierter Werkzeugstahl. Für jeden Werkzeugtyp muss der Stahl verwendet werden, der hinsichtlich seiner Eigenschaften für die gegebenen Arbeitsbedingungen am besten geeignet ist.

Niedriglegierter Stahl für Schneidwerkzeuge unterscheidet sich in seiner Schneidfähigkeit nicht von Kohlenstoffstahl und wird bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten verwendet.

Übliche Sorten von niedriglegiertem Stahl für Schneidwerkzeuge sind:

1) Stahlsorte X - Chrom (zur Herstellung von Fräsern, Bohrern);

2) Stahlsorte 9XC - Chrom-Silizium (zur Herstellung von Fräsern, Bohrern);

3) Stahlsorte B1 - Wolfram (zur Herstellung von Spiralbohrern, Reibahlen).

42. Rostfreie, hitzebeständige und hitzebeständige, kältebeständige, elektrische und verschleißfeste Stähle

Die Korrosionsbeständigkeit von Stahl erhöht sich, wenn der Kohlenstoffgehalt auf ein Minimum reduziert und ein Legierungselement eingebracht wird, das mit Eisen in einer solchen Menge Mischkristalle bildet, dass das Elektrodenpotential der Legierung ansteigt. Stahl, der gegen atmosphärische Korrosion beständig ist, wird als rostfreier Stahl bezeichnet. Als säurebeständig wird ein Stahl oder eine Legierung bezeichnet, die eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion durch Säuren, Salze, Laugen und andere aggressive Medien aufweist.

Korrosion ist die Zerstörung von Metallen aufgrund der Wechselwirkung ihrer elektrochemischen Wechselwirkung mit der Umgebung. Strukturmaterialien haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle sind instabil gegenüber Korrosion in der Atmosphäre, Wasser und anderen Medien. Korrosionsbeständig sind Metalle und Legierungen, die den korrosiven Einflüssen der Umgebung widerstehen können.

Chrom ist das wichtigste Legierungselement, das Stahl in oxidierenden Umgebungen korrosionsbeständig macht.

Hitzebeständigkeit ist die Fähigkeit von Metallen und Legierungen, den korrosiven Wirkungen von Gasen bei hohen Temperaturen zu widerstehen. Die korrosive Wirkung von Gasen führt bei hohen Temperaturen zur Oxidation von Stahl. Die Intensität der Oxidation wird durch die Zusammensetzung und Struktur des Oxidfilms beeinflusst. Ist der Film porös, erfolgt die Oxidation intensiv, ist er dicht, verlangsamt sie sich oder hört ganz auf.

Um eine dichte Oxidschicht zu erhalten, die das Eindringen von Sauerstoff tief in den Stahl verhindert, wird dieser mit Chrom, Silizium oder Aluminium legiert. Je mehr Legierungselemente in Stahl vorhanden sind, desto höher ist seine Hitzebeständigkeit.

Hitzebeständigkeit. Bei einem Schneidstoff wird sie durch die höchste Temperatur bestimmt, bei der er seine Schneideigenschaften behält. Die Hitzebeständigkeit der verwendeten Werkzeugmaterialien reicht von 200 bis 1500 ° C. Je nach Grad der Verringerung der Hitzebeständigkeit sind die Materialien in der folgenden Reihenfolge angeordnet: Superhart, Schneidkeramik, harte Legierungen, Hochgeschwindigkeit, legiert, Kohlenstoff Stähle. Auch bei längerer Temperaturbelastung müssen hohe Hitzebeständigkeitseigenschaften auf gleichem Niveau bleiben. Das Metall der heißen Gesenke muss einen stabilen Anlasswiderstand bieten.

Hitzebeständigkeit ist die Fähigkeit von Stahl, mechanischen Belastungen bei hohen Temperaturen zu widerstehen. Hitzebeständige Stähle und Legierungen sind solche, die bei hohen Temperaturen lange unter Belastung arbeiten können. Hitzebeständige Stähle sind in der Regel gleichzeitig hitzebeständig.

Kriechen ist eine Verformung, die bei längerer Einwirkung konstanter Belastung und hoher Temperatur zunimmt. Bei unlegierten und legierten Baustählen tritt Kriechen bei Temperaturen über 350 °C auf.

Das Kriechen wird durch die Kriechgrenze charakterisiert, worunter die Spannung verstanden wird, die dazu führt, dass sich der Stahl in einer bestimmten Zeit bei einer bestimmten Temperatur um einen bestimmten Betrag verformt.

Hitzebeständige Legierungen. Die Entwicklung hitzebeständiger Nickellegierungen begann mit kleinen Zusätzen von Titan und Aluminium zu gewöhnlichem Nichrom. Die Zugabe von weniger als 2 % Titan und Aluminium ohne Wärmebehandlung erhöht das Kriechverhalten von Nichrom bei Temperaturen um 700 °C deutlich.

Hitzebeständige Nickellegierungen werden in Knet- und Gusslegierungen unterteilt. Die hitzebeständigen Eigenschaften von Knetlegierungen entstehen während der Wärmebehandlung. Gegossene Hochtemperatur-Nickellegierungen haben eine ähnliche Zusammensetzung wie Knetlegierungen, enthalten jedoch normalerweise eine größere Menge an Aluminium und Titan.

Kältebeständigkeit - die Fähigkeit eines Metalls, Verformungen und Zerstörungen zu widerstehen, die unter dem Einfluss niedriger Temperaturen auftreten können.

Elektrostahl ist ein dünnes Blech aus Weichstahl. Die Kerne elektrischer Geräte werden daraus hergestellt. Dieser Stahl enthält Silizium. Es gibt kaltgewalztes und warmgewalztes Elektroband sowie Dynamo- und Trafostahl. Zum Legieren von Elektroband werden 0,5 % Al verwendet.

Verschleißfester Stahl. Für Teile, die unter abrasivem Verschleiß, hohen Drücken und Stößen arbeiten (Ketten von Raupenfahrzeugen, Backen von Brechern, Weichen von Eisenbahn- und Straßenbahngleisen), ist Hochmangan-Gussstahl 110G13L mit austenitischem Gefüge mit 0,9 % C und 11,5 % Mn geeignet Gebraucht.

Im Gusszustand besteht die Stahlstruktur aus Austenit und Karbiden des Typs (Fe, Mn) 3 C, die sich an den Grenzen der Austenitkörner abscheiden, und ihre Festigkeit und Schlagfestigkeit sind stark verringert, sodass die Gussteile einem Abschrecken ausgesetzt sind mit Erwärmung auf 1100 ° C und Abkühlung in Wasser. Bei dieser Temperatur lösen sich die Karbide im Austenit auf und der Stahl erhält ein stabileres austenitisches Gefüge.

Unter Schlag- und Abriebbedingungen bilden sich in der Randschicht des Stahls Defekte im Kristallgefüge (Versetzungen, Stapelfehler) aus, die zu einer Randschichthärtung führen. Bei schlagartiger Belastung und kaltplastischer Verformung ist eine Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit durch Kaltverfestigung möglich.

Stahl 110G13L lässt sich aufgrund des Härtens schlecht spanend bearbeiten, daher empfiehlt es sich, Teile oder Produkte aus diesem Stahl durch Gießen ohne nachträgliche Bearbeitung herzustellen. Der Buchstabe L am Ende der Marke dieses Stahls bedeutet "Guss".

43. Kennzeichnung, Struktur, Eigenschaften und Anwendungen von Nichteisenmetallen und deren Legierungen

Zu den Nichteisenmetallen zählen Kupfer, Aluminium, Magnesium, Titan, Blei, Zink und Zinn, die wertvolle Eigenschaften haben und trotz ihres relativ hohen Preises in der Industrie Verwendung finden. Manchmal werden, wenn möglich, Nichteisenmetalle durch Eisenmetalle oder nichtmetallische Materialien (z. B. Kunststoffe) ersetzt.

Folgende Gruppen von Nichteisenmetallen und -legierungen werden unterschieden: Leichtmetalle und -legierungen (mit einer Dichte von 3.0 g/cm3); Kupferlegierungen und spezielle Nichteisenlegierungen – Kupfernickel, Sterlingsilber, Edellegierungen usw.

Bei industriellen Anwendungen nimmt Kupfer einen der ersten Plätze unter den Nichteisenmetallen ein. Die Eigenschaften von Kupfer sind hohe Duktilität, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Kupfer wird in der Elektrotechnik, bei der Herstellung von Kabeln und Leitungen zur Stromübertragung verwendet und dient als Grundlage für die Herstellung verschiedener Legierungen, die im Maschinenbau weit verbreitet sind.

Aluminium ist ein Leichtmetall mit hoher Duktilität, guter elektrischer Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird zur Herstellung von elektrischen Drähten und Geschirr sowie zum Schutz anderer Metalle und Legierungen vor Oxidation durch Plattieren verwendet. Reinaluminium wird im Maschinenbau selten verwendet, da es über geringe mechanische Eigenschaften verfügt. Aluminium ist die Grundlage für die Herstellung vieler Legierungen, die im Flugzeugbau, Automobil- und Kutschenbau sowie im Instrumentenbau weit verbreitet sind. Aluminiumlegierungen können verformt (durch Wärmebehandlung gehärtet und nicht gehärtet) und gegossen werden. Duraluminium ist die am häufigsten verwendete Legierung, die in verformter Form verwendet und durch Wärmebehandlung verstärkt wird.

Magnesium ist das häufigste Metall und hat eine silbrig-weiße Farbe. Der große Vorteil von Magnesium ist, dass es ein sehr leichtes Metall ist. Der Hauptnachteil ist seine geringe Korrosionsbeständigkeit. Reines Magnesium hat keine Verbreitung in der Technik gefunden, sondern dient als Grundlage für die Herstellung von Leichtmetallen.

Die folgenden Sorten von Nichteisenmetallen (GOST) haben sich etabliert:

Aluminium - AB1, AB2, AOO, AO, A1, A2 und A3;

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

Zinn - 01, 02, OE und 04; Blei - CB, CO, C1, C2, C3, C4;

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

Magnesium - Mg1, Mg2.

Messing. Im Vergleich zu reinem Kupfer hat Messing eine größere Festigkeit, Duktilität und Härte, es ist flüssiger und korrosionsbeständiger.

Neben einfachem Messing werden Sondermessinge mit Zusätzen von Eisen, Mangan, Nickel, Zinn und Silizium verwendet. Der Anteil an Legierungsbestandteilen im Sondermessing überschreitet 7-8 % nicht. Sondermessinge haben verbesserte mechanische Eigenschaften; Einige von ihnen sind in ihrer Festigkeit dem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nicht unterlegen.

Laut GOST wird Messing mit dem Buchstaben L und einer Zahl bezeichnet, die den Kupfergehalt in der Legierung angibt.

Die Bezeichnung der Legierungsbestandteile lautet wie folgt: F – Eisen; N – Nickel; O - Zinn; K – Silizium; C - Blei. Die Menge der Legierungskomponente wird in Zahlen angegeben.

Messinge werden gegossen (für Formguss verwendet) und einer Druckbehandlung unterzogen. Messing wird zur Herstellung von Blechen, Drähten, Hülsen, gestanzten Beschlägen, Utensilien verwendet.

Bronzen sind: Zinn, Aluminium, Silizium, Nickel. Zinnbronzen haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine gute Fließfähigkeit und verbesserte Gleiteigenschaften. Aus ihnen werden Gussteile hergestellt. Einfache Zinnbronzen werden selten verwendet, da durch das Einbringen zusätzlicher Elemente (Zink, Blei, Nickel) bessere Eigenschaften bei geringerem Gehalt an knappem Zinn erzielt werden können.

Zinnbronzen sind laut GOST mit den Buchstaben BrO und einer Zahl gekennzeichnet, die den Zinngehalt angibt; Nachfolgende Buchstaben und Zahlen zeigen das Vorhandensein und die Menge zusätzlicher Elemente in der Bronze an. Zur Kennzeichnung zusätzlicher Elemente werden die gleichen Buchstaben wie bei der Kennzeichnung von Sondermessing verwendet; Zink wird mit dem Buchstaben C und Phosphor mit dem Buchstaben F bezeichnet.

Zinn ist ein teures Metall und wird in der Praxis selten verwendet. Ersatzstoffe für Zinnbronze sind Aluminium, Silizium, Mangan und andere Bronzen.

Aluminiumbronze wird mit einem Gehalt von bis zu 11 % A1 verwendet. Von der Struktur her ist Bronze hauptsächlich (bis zu 9,7 % Al) einphasig und eine feste Lösung von Aluminium in Kupfer. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften ist Aluminiumbronze besser als Zinnbronze, sie hat Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.

Der Nachteil ist die starke Schrumpfung beim Abkühlen aus dem flüssigen Zustand sowie die leichte Bildung von Aluminiumoxiden in flüssiger Bronze, was deren Fließfähigkeit beeinträchtigt. Zusätzliche Elemente (Eisen, Mangan) erhöhen seine mechanischen Eigenschaften. Siliziumbronze gehört zu den homogenen Legierungen – feste Lösungen, hat hohe mechanische und Gusseigenschaften. Ersetzt Zinnbronze. Zur Verbesserung der Eigenschaften werden Mangan und Nickel in Siliziumbronzen eingebracht.

44. Aluminium; der Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Aluminium; geschmiedete und gegossene Aluminiumlegierungen

Aluminium zeichnet sich durch geringe Dichte, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen aufgrund der Bildung eines dichten Al-Oxidfilms auf der Metalloberfläche aus.₂0₃. Technisch geglühtes Aluminium ADM wird durch plastische Kaltverformung gehärtet.

Aluminium ist sehr dehnbar und lässt sich leicht durch Druck bearbeiten, jedoch treten beim Schneiden Komplikationen auf, eine der Ursachen dafür ist das Anhaften des Metalls am Werkzeug.

Je nachdem, welche Verunreinigungen im Aluminium vorhanden sind, werden Änderungen seiner Korrosion, physikalischen, mechanischen und technologischen Eigenschaften beobachtet. Die meisten Verunreinigungen beeinträchtigen die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium. Die häufigsten Verunreinigungen sind Eisen, Silizium. Eisen reduziert zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit die Duktilität und Korrosionsbeständigkeit und erhöht die Festigkeitseigenschaften von Aluminium. Das Vorhandensein von Eisen in Legierungen von Aluminium mit Silizium und Magnesium beeinträchtigt die Eigenschaften der Legierung. Nur in den Aluminiumlegierungen, in denen Nickel vorhanden ist, wird Eisen als nützliche Verunreinigung betrachtet.

Die häufigste Verunreinigung in Aluminiumlegierungen ist Silizium. Dieses Metall wird neben Kupfer, Magnesium, Zink, Mangan, Nickel und Chrom als Hauptbestandteil in Aluminiumlegierungen eingebracht. CuAl-Verbindungen₂, Mg₂Si, CuMgAl₂- Aluminiumlegierungen effektiv verstärken.

Grundlegende Legierungselemente in Aluminiumlegierungen. Mangan verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Silizium ist das Hauptlegierungselement in einer Reihe von Aluminiumgusslegierungen (Silumine), da es an der Bildung von Eutektika beteiligt ist.

Ni, Ti, Cr, Fe erhöhen die Hitzebeständigkeit von Legierungen, indem sie Diffusionsprozesse hemmen und stabile komplexlegierte Festigungsphasen bilden. Lithium in Legierungen trägt zu einer Erhöhung ihres Elastizitätsmoduls bei. Gleichzeitig verringern Magnesium und Mangan die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Aluminium und Eisen verringert seine Korrosionsbeständigkeit.

Kennzeichnung von Aluminiumlegierungen. Derzeit werden zwei Legierungsmarkierungen gleichzeitig verwendet: die alte alphanumerische und die neue digitale. Daneben gibt es eine alphanumerische Kennzeichnung der technologischen Verarbeitung von Halbzeugen und Produkten, die die mechanischen, chemischen und sonstigen Eigenschaften der Legierung qualitativ widerspiegelt.

Klassifizierung von Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen werden hauptsächlich in Aluminium-Knet- und -Gusslegierungen unterteilt, da bei der Herstellung von Pulverlegierungen und Verbundwerkstoffen plastische Verformungs- und Gießverfahren zum Einsatz kommen.

Aluminiumlegierungen werden nach ihrer Härtbarkeit durch Wärmebehandlung in gehärtet und nicht gehärtet eingeteilt. Sie können homogenisiert, rekristallisiert und weichgeglüht werden.

Legierungen des Al-Cu-Mg-Systems – Duraluminium D1, D16, D18, D19 usw. – weisen eine gute Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf. Die Wärmebehandlung stärkt Duraluminium und erhöht ihre Schweißbarkeit durch Punktschweißen. Sie lassen sich gut bearbeiten, neigen jedoch nach dem Erhitzen zur interkristallinen Korrosion. Durch Plattieren wird eine deutliche Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Legierungen erreicht.

In der Luftfahrt werden Duraluminium zur Herstellung von Propellerblättern (D1), Antriebselementen von Flugzeugstrukturen (D16, D19) verwendet.

Hochfeste Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems (V93, V95, V96Ts) zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeitswerte (bis 700 MPa) aus. Gleichzeitig wird durch koagulierte Stufenauslagerung (T2, T95) sowie durch die Verwendung von Legierungen hoher (V95kch) und spezieller (VXNUMXoch) Reinheit eine ausreichende Plastizität, Rissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erreicht.

Die hochmodulige Legierung 1420 hat durch die Legierung von Aluminium mit Lithium und Magnesium (System Al-M-Li) eine um 11 % reduzierte Dichte und gleichzeitig einen um 4 % erhöhten Elastizitätsmodul.

Die Knetlegierungen AK6 und AK8 (Al-M-Si-Cu-System) haben eine hohe Plastizität bei der Warmumformung. Sie sind zufriedenstellend geschweißt, gut bearbeitet, aber unter Belastung korrosionsanfällig. Um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, werden Teile aus AK6- und AK8-Legierungen eloxiert oder mit Farben und Lacken beschichtet. Schmiedelegierungen werden verwendet, um geschmiedete und gestanzte Flugzeugteile herzustellen, die unter Belastung arbeiten. Diese Legierungen können bei kryogenen Temperaturen betrieben werden.

Hitzebeständige Aluminiumlegierungen der Systeme A1-Cu-Mn (D20, D21) und Al-Cu-Mg-Fe-Ni (AK4-1) werden zur Herstellung von Betriebsteilen (Kolben, Zylinderköpfe, Scheiben) verwendet erhöhte Temperaturen (bis zu 300 ° C). Die Hitzebeständigkeit wird durch Zulegieren von Legierungen mit Nickel, Eisen und Titan erreicht, die Diffusionsvorgänge hemmen und komplex legierte feindisperse Festigungsphasen bilden, die beim Erhitzen koagulationsbeständig sind. Legierungen haben im heißen Zustand eine hohe Duktilität und Bearbeitbarkeit.

Aluminiumgusslegierungen.

Die Hauptanforderungen an Legierungen für Formguss sind eine Kombination aus guten Gießeigenschaften (hohe Fließfähigkeit, geringe Schwindung, geringe Heißrissbildung und Porosität) mit optimalen mechanischen und chemischen (Korrosionsbeständigkeit) Eigenschaften. Eutektische Legierungen haben die besten Gießeigenschaften.

45. Kupfer; Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Kupfer. Messing, Bronze, Kupfer-Nickel-Legierungen

Kupfer ist ein rotes Metall, in einem rosa Bruch, hat einen Schmelzpunkt von 1083 ° C. Das FCC-Kristallgitter mit einer Periode von 0,31607 Gruben. Die Dichte von Kupfer beträgt 8,94 g/cm3. Kupfer hat eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Der spezifische elektrische Widerstand von Kupfer beträgt 0,0175 μOhm m.

Kupfersorten: M00 (99,99 % Cu), MO (99,97 % Cu), M1 (99,9 % Cu), M2 (99,7 % Cu), M3 (99,50 % Cu). Die im Kupfer enthaltenen Verunreinigungen haben einen großen Einfluss auf seine Eigenschaften.

Je nach Art der Wechselwirkung von Verunreinigungen mit Kupfer können sie in drei Gruppen eingeteilt werden.

1. Verunreinigungen, die mit Kupfer feste Lösungen bilden: Ni, Zn, Sb, Fe. P und andere Diese Verunreinigungen (insbesondere Sb) verringern die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer stark, daher werden Kupfer M0 und M1 für Stromleiter verwendet. Antimon erschwert die Warmumformung.

2. Verunreinigungen Pb, Bi und andere, die in Kupfer praktisch unlöslich sind, bilden darin niedrigschmelzende Eutektika, die durch Abscheidung entlang der Korngrenzen die Druckverarbeitung erschweren.

Bei einem Gehalt von 0,005 % Bi wird Kupfer bei der Warmumformung durch Druck zerstört, bei einem höheren Wismutgehalt wird Kupfer kaltspröde; diese Verunreinigungen wirken sich kaum auf die elektrische Leitfähigkeit aus.

3. Verunreinigungen von Sauerstoff und Schwefel, bilden spröde chemische Verbindungen Cu mit Kupfer₂O und Cu₂S, die Teil des Eutektikums sind. Wenn Sauerstoff in Lösung ist, verringert er die elektrische Leitfähigkeit, und Schwefel beeinflusst sie nicht. Schwefel verbessert die Bearbeitbarkeit von Kupfer durch Schneiden, und Sauerstoff, falls in Kupfer vorhanden, bildet Kupferoxid und verursacht eine "Wasserstoffkrankheit".

Wenn Kupfer in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt wird, diffundiert es in die Tiefe des Kupfers. Bei Cu-Einschlüssen im Kupfer₂Oh, dann reagieren sie mit Wasserstoff, was zur Bildung von Wasserdampf führt. Zwei Hauptgruppen von Kupferlegierungen: Messing – Legierungen aus Kupfer und Zink; Bronzen sind Legierungen aus Kupfer und anderen Elementen.

Messing ist eine Mehrkomponentenlegierung auf Basis von Kupfer, wobei der Hauptbestandteil Zink ist. Technische Messinge enthalten bis zu 40-45 % Zn. Einphasiges B-Messing, das sich bei Kälte und Hitze leicht verformen lässt, umfasst L96 (Tompak), L80 (Halb-Tompak), L68, das die höchste Duktilität aufweist. Zweiphasig (α + β) - Messing, L59 und L60 sind im kalten Zustand weniger duktil und werden einer Heißdruckbehandlung unterzogen.

Auf der Grundlage der Technologie wird Messing in zwei Gruppen eingeteilt: verformt und Gießerei. Gussmessinge sind nicht sehr anfällig für Liquidation und haben Gleiteigenschaften.

Geschmiedetes Messing hat unter atmosphärischen Bedingungen hohe Korrosionseigenschaften.

Messing, das für den Formguss bestimmt ist, enthält eine Vielzahl spezieller Zusätze, die seine Gießeigenschaften verbessern.

Zinnbronzen. Zinnreiche Legierungen sind sehr spröde. Zinnbronzen werden üblicherweise mit Zn, Pe, P, Pb, Ni und anderen Elementen legiert. Zink verbessert die technologischen Eigenschaften von Bronze und reduziert die Bronzekosten. Phosphor verbessert die Gießeigenschaften. Nickel erhöht die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die Dichte von Gussteilen und verringert die Seigerung. Eisen mahlt Getreide, verschlechtert aber die technologischen Eigenschaften von Bronzen und die Korrosionsbeständigkeit.

Es gibt geschmiedete und gegossene Zinnbronzen, die gute Gießeigenschaften haben. Zweiphasenbronzen haben hohe Gleiteigenschaften. Sie werden zur Herstellung von Wälzteilen verwendet.

Nickellegierungen sind im Maschinenbau weit verbreitet. Nickel verleiht Kupfer eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit und verbessert seine mechanischen und gießtechnischen Eigenschaften. Bronzen, die nur Nickel enthalten, werden aufgrund der hohen Nickelkosten nicht verwendet. Nickel wird in Kombination mit anderen Elementen eingebracht.

In der Industrie sind Nickellegierungen üblich, die folgende Namen haben: Kupfernickel (eine Kupferlegierung mit 18–20 % Nickel) – wird für Hülsen verwendet, hat eine weiße Farbe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit; Konstantan ist eine Kupferlegierung mit 39–41 % Nickel. Konstantan hat einen hohen elektrischen Widerstand und wird in Form von Drähten und Bändern für Rheostate und elektrische Messgeräte verwendet.

Kupfer und seine Legierungen werden in großem Umfang in der Elektrotechnik, Elektronik, Instrumentierung, Gießerei und im Motorenbau verwendet. Somit werden 50 % des produzierten Kupfers von der Elektro- und Elektronikindustrie verbraucht. Unter den Nichteisenmetallen steht es produktionstechnisch an zweiter Stelle (nach Aluminium).

Technische und technologische Eigenschaften von Kupfer: hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, ausreichende Korrosionsbeständigkeit, gute Bearbeitbarkeit durch Druck, Schweißbarkeit durch alle Schweißarten, gute Lötbarkeit, leichtes Polieren. Reines Kupfer hat eine geringe Festigkeit und eine hohe Duktilität. Zu den Nachteilen von Kupfer gehören:

- hoher Preis;

- signifikante Dichte;

- große Schwindung beim Gießen;

- Heißsprödigkeit;

- die Komplexität des Schneidens.

46. Magnesium und seine Legierungen

Magnesium ist ein reaktives Metall: Der an Luft gebildete MdO-Oxidfilm reißt aufgrund seiner höheren Dichte als Magnesium selbst und hat keine schützenden Eigenschaften; Magnesiumpulver und -späne sind leicht entzündlich; heißes und geschmolzenes Magnesium explodiert bei Kontakt mit Wasser.

Magnesium und seine Legierungen sind schlecht korrosionsbeständig, haben beim Gießen eine geringe Fließfähigkeit und werden nur bei erhöhten Temperaturen (225 ° C oder mehr) plastisch verformt. Letzteres ist darauf zurückzuführen, dass die Verschiebung des hexagonalen Magnesiumgitters bei niedrigen Temperaturen nur entlang der Basisebene (der Basis des hexagonalen Prismas) erfolgt. Eine Erwärmung auf 200-300 °C führt zum Auftreten zusätzlicher Gleitflächen und dementsprechend zu einer Erhöhung der Plastizität. Die geringe Diffusionsbeweglichkeit von Atomen in Magnesiumlegierungen verlangsamt Phasenumwandlungen in ihnen. Daher erfordert eine Wärmebehandlung (Diffusions- oder Rekristallisationsglühen, Härten, Auslagern) lange Einwirkungen (bis zu 24 h).

Gleichzeitig zeichnen sich Magnesiumlegierungen durch eine hohe spezifische Festigkeit aus, absorbieren Vibrationen gut und interagieren nicht mit Uran. Sie lassen sich gut schneiden und mit Argon-Lichtbogen und Kontakt zufriedenstellend schweißen

Schweißen. Die Hauptlegierungselemente in Magnesiumlegierungen sind Mn, Al und Zn.

Mangan erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit von Magnesiumlegierungen. Aluminium und Zink haben einen großen Einfluss auf die Festigkeit und Duktilität von Magnesiumlegierungen: Die Maximalwerte der mechanischen Eigenschaften werden erreicht, wenn 6-7% Aluminium oder 4-6% Zink in die Legierung eingebracht werden. Diese Elemente (Al, Zn) bilden mit Magnesium Härtungsphasen, die nach dem Abschrecken durch Alterung in feindisperser Form ausfallen.

Zirkonium, Titan, Erdalkalimetalle (Ca) und Seltenerdmetalle (Ce, 1a) sowie Thorium mahlen das Korn, desoxidieren die Legierung und erhöhen ihre Hitzebeständigkeit.

Entsprechend der Herstellungstechnologie von Produkten werden Magnesiumlegierungen in Gießerei (Kennzeichnung "ML") und Schmiede ("MA") unterteilt. Magnesiumlegierungen werden verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen.

Um die Seigerung in Gusslegierungen zu beseitigen (Auflösen überschüssiger Phasen, die während des Gießens freigesetzt werden, und Vergleichmäßigung der chemischen Zusammensetzung über das Kornvolumen), wird ein Diffusionsglühen (Homogenisieren) von geformten Gussstücken und Barren durchgeführt (400–490 °C, 10–24 h). Die Aufhärtung wird durch Rekristallisationsglühen bei 250-350 "C beseitigt, wobei auch die bei der plastischen Verformung entstandene Anisotropie der mechanischen Eigenschaften abnimmt.

Magnesiumlegierungen können je nach Zusammensetzung durch Abschrecken (häufig unter Luftkühlung) und anschließender Auslagerung bei 150–200 °C (Tb-Modus) gehärtet werden. Eine Reihe von Legierungen werden bereits beim Abkühlen von Guss- oder Schmiedestücken gehärtet und können sofort durch künstliches Auslagern (Umgehen des Härtens) gehärtet werden. In den meisten Fällen beschränken sie sich jedoch nur auf das Homogenisieren (Abschrecken) bei 380–540 °C (T4-Modus), da eine anschließende Alterung mit einer Erhöhung der Festigkeit um 20–35% zu einer Verringerung der Duktilität der Legierungen führt. Gusslegierungen.

Bei Magnesiumgusslegierungen wird eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften erreicht, indem das Korn durch Überhitzung der Schmelze gemahlen oder mit Kreide- oder Magnesitzusätzen modifiziert wird.

Dabei bilden sich in der Schmelze feste Partikel, die zu Kristallisationszentren werden. Um eine Entzündung von Magnesiumlegierungen zu verhindern, werden diese in Eisentiegeln unter einer Flussmittelschicht geschmolzen und das Gießen erfolgt in Schwefeldioxiddämpfen, die beim Einbringen von Schwefel in den Metallstrom entstehen. Beim Gießen in Sandformen werden der Mischung spezielle Zusätze (Aluminiumfluoride) zugesetzt, um die Oxidation von Magnesium zu reduzieren. Unter den Magnesiumgusslegierungen werden häufig ML5- und ML6-Legierungen verwendet, die sich durch verbesserte Guss- und mechanische Eigenschaften auszeichnen. Sie können entweder durch Homogenisierung und Aushärtung an der Luft (T4) oder durch zusätzliche Alterung (T6) verfestigt werden.

Knetlegierungen.

Verformtes (gepresstes) Magnesium hat höhere mechanische Eigenschaften als gegossenes Magnesium.

Knetlegierungen werden in Form von Schmiedestücken, Gesenkrohlingen, warmgewalzten Bändern, Stangen und Profilen hergestellt. Die Temperaturbereiche der technologischen Verfahren zur Umformung von Magnesiumlegierungen liegen in folgenden Grenzen: Pressen bei 300-480 °C, Walzen bei 440-225 °C und Stanzen (in geschlossenen Matrizen) bei 480-280 °C. Gute Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und technologische Duktilität zeichnen die Legierung MA1 aus, die zur Gruppe der Legierungen mit geringer Festigkeit gehört.

Die Legierung MA2-1 kombiniert optimale mechanische und technologische Eigenschaften (gut geschweißt, gestanzt), ist jedoch unter Belastung korrosionsanfällig. Hitzebeständig (bis 250 °C) ist eine Legierung des Systems (Md-Zn-Zr) MA14. Die Legierung wird nach dem Pressen und Abkühlen an Luft durch künstliche Alterung (T5-Modus) gehärtet. Es zeichnet sich durch erhöhte mechanische Eigenschaften aus, neigt aber beim Walzen zur Bildung von Heißrissen.

Anwendung von Magnesiumlegierungen. Magnesiumlegierungen werden zur Herstellung von Gehäusen für Raketen, Pumpen, Instrumente, Treibstoff- und Sauerstofftanks, Motorrahmen und Gehäuse verwendet. So werden ML5- und ML6-Legierungen zum Gießen von Bremstrommeln, Lenkrädern, Getrieben und ML10 – Teilen von hochdichten Geräten – verwendet.

Armaturen, Gas- und Ölsysteme sowie Schweißteile bestehen aus verformbaren Legierungen MA1, hochbeanspruchte Teile aus MA14.

47. Titan und seine Legierungen

Titan und darauf basierende Legierungen haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit und spezifische Festigkeit. Nachteile von Titan: seine aktive Wechselwirkung mit atmosphärischen Gasen, die Neigung zur Wasserstoffversprödung.

Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff verstärken Titan und verringern seine Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Titan lässt sich schlecht schneiden, gut verarbeiten und unter Schutzatmosphäre schweißen. Vakuumgießen, einschließlich Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen mit einer abschmelzenden Elektrode, hat sich weit verbreitet.

Allotrope Modifikationen von Titan: Niedertemperatur und Hochtemperatur.

Abhängig von ihrem Einfluss auf die Temperatur der polymorphen Umwandlung von Titan (882,5 °C) gibt es zwei Hauptgruppen von Legierungselementen: b-Stabilisatoren (Elemente, die den Existenzbereich der b-Phase erweitern und die Umwandlungstemperatur erhöhen – A1). , Oa, C) und c-Stabilisatoren (Elemente, die den b-Bereich verengen und die Temperatur der polymorphen Transformation senken – V, Mo, Cr).

Legierungselemente werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt: Elemente mit hoher (im Grenzbereich - unbegrenzter) und begrenzter Löslichkeit in Titan. Elemente mit begrenzter Löslichkeit können zusammen mit Titan intermetallische Verbindungen, Silizide und interstitielle Phasen bilden.

Legierungselemente beeinflussen die Gebrauchseigenschaften von Titan (Fe, Al, Mn, Cr), erhöhen seine Festigkeit, verringern jedoch Elastizität und Zähigkeit; A1, Zr erhöhen die Hitzebeständigkeit und Mo, Zr, Ta erhöhen die Korrosionsbeständigkeit.

Klassifizierung von Titanlegierungen. Die Struktur von industriellen Titanlegierungen sind feste Lösungen von Legierungselementen in b- und b-Modifikationen von Titan.

Arten der Wärmebehandlung von Titanlegierungen.

Rekristallisation (einfaches) Glühen von kaltgeformten Legierungen (650-850 °C).

Isothermes Glühen (Erhitzen auf 780-980 °C, gefolgt von Abkühlen in einem Ofen auf 530-680 °C, Halten bei dieser Temperatur und Abkühlen an der Luft), wodurch eine hohe Duktilität und thermische Stabilität der Legierungen erreicht wird.

Zweistufiges Glühen (es unterscheidet sich vom isothermen darin, dass der Übergang von der ersten Stufe zur zweiten durch Abkühlen der Legierung an der Luft und anschließendes Wiedererhitzen auf die Temperatur der zweiten Stufe erfolgt), was zu einer Verfestigung der Legierung führt und a Abnahme der Plastizität durch partielles Auftreten von Härtungs- und Alterungsprozessen.

Teilglühen bei 500-680 °C, um bei der Bearbeitung entstehende Eigenspannungen abzubauen.

Härtende Wärmebehandlung. Die meisten Titanlegierungen sind mit Aluminium legiert, was die Steifigkeit, Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Hitzebeständigkeit des Materials erhöht und auch seine Dichte verringert.

α-Titanlegierungen werden nicht durch Wärmebehandlung gehärtet; ihre Härtung wird durch Mischkristalllegierung und plastische Verformung erreicht.

(α + β)-Titanlegierungen zeichnen sich durch ein Mischgefüge aus und werden durch Wärmebehandlung, bestehend aus Härten und Altern, gehärtet.

Pseudo-β-Titanlegierungen zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an β-Stabilisatoren und die daraus resultierende fehlende martensitische Umwandlung aus. Die Legierungen zeichnen sich durch hohe Duktilität im gehärteten Zustand und hohe Festigkeit im gealterten Zustand aus; sie werden zufriedenstellend durch Argon-Lichtbogenschweißen geschweißt.

Gegossene Titanlegierungen. Im Vergleich zu Knetlegierungen haben Gusslegierungen eine geringere Festigkeit, Duktilität und Lebensdauer, sind aber billiger. Die Komplexität des Gießens von Titanlegierungen beruht auf der aktiven Wechselwirkung von Titan mit Gasen und Formstoffen. Die Gusslegierungen VT5L, VT14L und VTZ-1L stimmen in ihrer Zusammensetzung grundsätzlich mit ähnlichen Knetlegierungen überein (gleichzeitig enthält die Legierung VT14L zusätzlich Eisen und Chrom).

Die VT5L-Legierung hat hohe technologische Eigenschaften: Sie ist duktil, neigt nicht zu Rissen beim Gießen und lässt sich gut schweißen. Geformte Gussteile aus der Legierung VT5L arbeiten bei Temperaturen bis 400 °C. Der Nachteil der Legierung ist ihre geringe Festigkeit (800 MPa). Die Zweiphasen-Gusslegierung VT14L wird anstelle einer Härtebehandlung bei 850 °C geglüht, was die Plastizität von Gussstücken drastisch reduziert.

Pulverförmige Titanlegierungen. Der Einsatz pulvermetallurgischer Verfahren zur Herstellung von Titanlegierungen ermöglicht bei gleichen Gebrauchseigenschaften wie bei einem gegossenen oder verformbaren Werkstoff eine Reduzierung von bis zu 50 % Kosten und Zeit bei der Herstellung von Produkten. Die durch heißisostatisches Pressen (HIP) erhaltene Titanpulverlegierung VT6 hat nach dem Glühen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie die Knetlegierung. Der gehärteten und gealterten Knetlegierung VT6 ist die Pulverlegierung in der Festigkeit unterlegen, aber in der Duktilität überlegen.

Die Verwendung von Titanlegierungen: Beschichtung von Flugzeugen, Schiffen, U-Booten; Granaten von Raketen und Triebwerken; Scheiben und Schaufeln von stationären Turbinen und Kompressoren von Flugzeugtriebwerken; Propeller; Zylinder für verflüssigte Gase; Behälter für aggressive chemische Umgebungen usw.

48. Arten von Verbundwerkstoffen. Struktur, Eigenschaften, Anwendungen

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei Komponenten, die auf unterschiedliche Weise zu einem Monolithen verbunden werden und dabei ihre individuellen Eigenschaften beibehalten.

Materialeigenschaften:

- Zusammensetzung, Form und Verteilung der Komponenten sind vorgegeben;

- bestehen aus zwei Komponenten und mehr unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die durch eine Grenze getrennt sind;

- Eigenschaften hat, die sich von den Eigenschaften der getrennt betrachteten Komponenten unterscheiden;

- im Makromaßstab homogen und im Mikromaßstab heterogen;

- kommt nicht in der Natur vor, menschengemacht.

Die Bestandteile des Materials sind geometrisch unterschiedlich. Eine Matrix ist eine Komponente, die über ihr gesamtes Volumen Kontinuität aufweist. Der Füllstoff ist eine diskontinuierliche, verstärkende Komponente.

In Verbundwerkstoffen werden Metalle und deren Legierungen, organische und anorganische Polymere sowie keramische Materialien als Matrizen verwendet. Die Eigenschaften hängen von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Komponenten und der Stärke der Bindung zwischen ihnen ab. Für den Verbundwerkstoff werden Komponenten ausgewählt, deren Eigenschaften sich voneinander unterscheiden. Solche Materialien weisen eine hohe spezifische Steifigkeit und spezifische Festigkeit auf.

Übliche Verbundmaterialien mit nulldimensionalen Füllstoffen sind eine Metallmatrix aus Metall oder Legierung. Verbundwerkstoffe mit gleichmäßig verteilten Härterpartikeln zeichnen sich durch isotrope Eigenschaften aus. Mit dispergierten Teilchen verstärkte Zusammensetzungen werden durch pulvermetallurgische Verfahren erhalten.

Verbundwerkstoffe mit einer Aluminiummatrix auf Aluminiumbasis werden durch A1203-Partikel verstärkt, die durch Pressen von Aluminiumpulver mit anschließendem Sintern (SAP) gewonnen werden.

SAP-Legierungen werden im heißen Zustand zufriedenstellend verformt, und SAP-1-Legierungen werden auch im kalten Zustand verformt. SAP lässt sich leicht durch Schneiden bearbeiten und kann durch Argon-Lichtbogen- und Widerstandsschweißen zufriedenstellend geschweißt werden. SAP produziert Halbzeuge in Form von Blechen, Profilen, Rohren und Folien.

Verbundwerkstoffe mit Nickelmatrix.

Die härtende Komponente sind giftige Partikel von Thoriumdioxid (TI02) oder Hafniumdioxid (Hf02). Diese Materialien werden als VDU-1 bzw. VDU-2 bezeichnet. Die Verbundwerkstoffe VDU-1 und VDU-2 sind plastisch, in einem weiten Temperaturbereich durch verschiedene Verfahren (Schmieden, Stanzen, Stauchen, Tiefziehen) verformt. Um Teile aus Legierungen vom Bildschirmtyp zu verbinden, wird Hochtemperaturlöten oder Diffusionsschweißen verwendet, um ein Schmelzen zu verhindern. VDU-2-Legierungen werden im Flugzeugtriebwerksbau eingesetzt.

Verbundwerkstoffe mit eindimensionalen Füllstoffen werden durch eindimensionale Elemente in Form von Whiskern, Fasern (Drähten) verstärkt.

Die Fasern werden durch eine Matrix zu einem einzigen Monolithen zusammengehalten. Die Matrix dient dem Schutz der Verstärkungsfaser vor Beschädigungen, ist ein Medium, das die Belastung auf die Fasern überträgt und Spannungen beim Bruch einzelner Fasern umverteilt.

Verbundwerkstoffe auf einer Nickelmatrix

Hitzebeständige Nickellegierungen werden verstärkt, um ihre Betriebsdauer und Betriebstemperatur auf 1100-1200 °C zu erhöhen. Zur Verstärkung von Nickellegierungen werden Härter verwendet: Whiskers, Drähte aus hochschmelzenden Metallen und Legierungen, Kohlenstofffasern und Siliziumkarbid.

Eutektische Verbundwerkstoffe - Legierungen mit eutektischer Zusammensetzung. In ihnen besteht die Verstärkungsphase aus orientierten Kristallen, die während der gerichteten Kristallisation gebildet werden.

Durch gerichtete Kristallisationsverfahren entstehen Verbundwerkstoffe auf Basis von Al, Md, Cu, Co, Tc

Eutektische Verbundwerkstoffe auf Basis von Aluminium

Durch die Methode der gerichteten Kristallisation werden die Zusammensetzungen Al-A^M und Al-CuAl1 erhalten. Die Zusammensetzung zeichnet sich durch eine hohe Strukturstabilität bis zu Schmelztemperaturen aus.

Eutektische Verbundwerkstoffe auf Nickelbasis sind hitzebeständige Werkstoffe, die in der Raketen- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden. Lamellare Zusammensetzungen, die einen Volumenanteil der Härtungsphase von mehr als 33–35 % enthalten, sind spröde. Kunststoffzusammensetzungen umfassen Zusammensetzungen auf Nickelbasis mit einem Volumenanteil an Fasern von 3–15 % aus Tantal-, Niob- und Hafniumkarbiden.

Verbundwerkstoffe auf nichtmetallischer Basis.

Als Matrix werden ausgehärtete Epoxid-, Polyester-, Phenolharze verwendet.

Verbundwerkstoffe, die mit der gleichen Faserart verstärkt sind, werden als Verstärkungsfaser bezeichnet. Als orientierte Glasfaser wird eine Zusammensetzung bezeichnet, die einen Füllstoff in Form von langen Glasfasern enthält, die in orientierten Einzelsträngen angeordnet sind.

Der Füllstoff nichtorientierter Glasfasern ist Kurzfaser. Wenn die Verstärkung aus Glasfaser besteht, wird das Material Glasfaser genannt. Ein Verbundwerkstoff, der Kohlenstofffasern enthält, wird als Kohlenstofffaser bezeichnet, Borfasern werden als Borfasern bezeichnet und organische Fasern werden als Organo-Lockit bezeichnet. Vorteile von Verbundwerkstoffen mit Polymermatrix: hohe spezifische Festigkeit und elastische Eigenschaften; Beständigkeit gegen aggressive Umgebungen; gute Gleit- und Reibungseigenschaften sowie hohe Hitzeschutz- und Stoßdämpfungseigenschaften.

49. Chemische Zusammensetzung, Methoden zur Gewinnung von Pulvern, Eigenschaften und Methoden zu ihrer Kontrolle

Pulvermaterialien - Materialien, die durch Pressen von Metallpulvern zu Produkten der erforderlichen Form und Größe und anschließendes Sintern der geformten Produkte im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre erhalten werden.

Anti-Friction-Pulverlegierungen haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten, sind leicht zu bearbeiten und haben eine gute Verschleißfestigkeit.

Legierungen auf Basis von Nichteisenwerkstoffen werden im Instrumentenbau und in der Elektrotechnik eingesetzt. Pulvermaterialien werden bei der Herstellung von Teilen verwendet, die eine einfache symmetrische Form, geringe Masse und Größe haben.

Die Pulvermetallurgie ist ein Zweig der Technik, der sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Teilen daraus beschäftigt. Metallpulver wird zu Rohlingen gepresst, die einer Wärmebehandlung – dem Sintern – unterzogen werden. Metallpulver sind: Eisen, Kupfer, Nickel, Chrom, Kobalt, Wolfram, Molybdän, Titan. Es gibt zwei Methoden zur Herstellung von Pulvern: mechanische und physikalisch-chemische.

Am gebräuchlichsten ist die Methode der mechanischen Zerkleinerung des Ausgangsmaterials (Späne, Schrott). Zum Mahlen werden mechanische Mühlen verwendet. Mechanisches Schleifen hat seine Nachteile. Dazu gehören die hohen Pulverkosten, die die Herstellungskosten der ursprünglichen gegossenen Metalle und Legierungen umfassen, und die relativ geringe Produktivität des Verfahrens.

Physikalisch-chemische Verfahren zur Gewinnung von Pulvern: Reduktion von Oxiden, Fällung von Metallpulver aus einer wässrigen Salzlösung. Die Herstellung von Pulver ist mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Rohstoffs verbunden. Physikalisch-chemische Verfahren zur Gewinnung von Pulvern sind vielseitiger als mechanische. Aufgrund der Verwendung billiger Rohstoffe sind physikalisch-chemische Verfahren wirtschaftlich.

Die chemische Zusammensetzung von Pulvern wird durch den Gehalt an Grundmetall oder Komponente und Verunreinigungen bestimmt. Die physikalischen Eigenschaften von Pulvern werden durch die Größe und Form der Partikel, die Mikrohärte, die Dichte und die Bildung eines Kristallgitters bestimmt. Technologische Eigenschaften sind durch Fließfähigkeit, Kompressibilität und Zusammenbacken des Pulvers gekennzeichnet.

Fluidität - die Fähigkeit eines Pulvers, eine Form zu füllen. Die Fließfähigkeit ist beim automatischen Pressen von großer Bedeutung, wo die Pressleistung von der Formfüllgeschwindigkeit beeinflusst wird. Eine geringe Fließfähigkeit beeinflusst die Inhomogenität der Dichte der Werkstücke.

Die Kompressibilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Pulvers, sich unter Einwirkung einer äußeren Belastung zu verdichten, und auf die Haftfestigkeit von Partikeln als Ergebnis des Pressens. Die Kompressibilität des Pulvers wird durch die Plastizität des Materials der Partikel, ihre Größe und Form beeinflusst. Sie nimmt mit der Einführung von Tensiden in die Zusammensetzung des Pulvers zu.

Mit pulvermetallurgischen Verfahren werden Strukturwerkstoffe gewonnen, die zur Herstellung von Rohlingen und Fertigteilen verwendet werden. Verbundwerkstoffe mit besonderen physikalischen, mechanischen und Leistungseigenschaften werden in der Industrie häufig verwendet.

Für die Herstellung von Gleitlagern werden Gleit-Cermet-Werkstoffe verwendet. Bei Gleitwerkstoffen ist die harte Komponente eine Metallbasis und die weiche Komponente sind mit Öl oder Kunststoff gefüllte Poren.

Reibverbundwerkstoffe sind komplexe Zusammensetzungen auf Basis von Kupfer oder Eisen. Graphit oder Blei hilft, den Verschleiß der Zusammensetzung zu verringern. Reibmaterialien werden als Bimetallelemente verwendet, bestehend aus einer Reibschicht, die unter Druck mit der Unterlage (Scheibe) versintert wird.

Zur Herstellung von Filtern werden hochporöse Materialien verwendet. Filter können aus Pulvern aus korrosionsbeständigem Stahl, Aluminium, Titan hergestellt werden.

Hochporöse metallische Werkstoffe werden durch Pulversintern ohne Vorpressen hergestellt. Um während des Sinterprozesses Gase freizusetzen, werden den Pulvern spezielle Substanzen zugesetzt.

Metall-Keramik-Hartlegierungen haben eine hohe Härte, Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Sie werden zur Herstellung von Schneid- und Bohrwerkzeugen verwendet und auch auf die Oberfläche von Verschleißteilen aufgetragen.

Die Pulvermetallurgie produziert Diamant-Metall-Werkstoffe. Als Bindemittel werden Metallpulver (Kupfer, Nickel) verwendet.

In der modernen Technologie von Verbundwerkstoffen werden häufig Fasermaterialien verwendet. Für ihre Herstellung werden Drähte aus Wolfram, Molybdän, Bor und Graphit verwendet, je nach den geforderten Eigenschaften des herzustellenden Materials. Die Fasermetallurgie ist ein Zweig der Pulvermetallurgie, der sich auf die Lösung von Fragen der Forschung und Herstellung von Fasermaterialien spezialisiert hat.

Der Mischungsvorbereitungsprozess umfasst das Vorglühen, das Sortieren des Pulvers nach Partikelgröße (Sieben) und das Mischen.

50. Formen und Sintern von Pulvern, Anwendungsgebiete

Anbacken ist die Haftfestigkeit von Partikeln infolge einer Wärmebehandlung von gepressten Rohlingen.

Aufbereitete Pulver werden in Kugel- und Trommelmühlen gemischt. Rohlinge aus Metallpulvern werden durch Pressen (kalt, heiß, hydrostatisch) und Walzen geformt. Je nach Größe und Komplexität der gepressten Rohlinge kommt ein- und zweiseitiges Pressen zum Einsatz. Einseitig erhalten Rohlinge einfacher Form und Rohlinge wie Buchsen. Durch doppelseitiges Pressen erfolgt die Umformung von Werkstücken mit komplexer Form.

Beim Heißpressen werden die Prozesse Formgebung und Sinterung des Werkstücks technologisch kombiniert. Als Ergebnis des Heißpressens werden Materialien erhalten, die sich durch hohe Festigkeit, Dichte und Gleichmäßigkeit der Struktur auszeichnen. Graphit ist das beste Material für die Herstellung von Formen.

Zur Herstellung von Cermet-Rohlingen wird hydrostatisches Pressen eingesetzt. Als Arbeitsflüssigkeit werden Öl, Wasser, Glycerin verwendet.

Die Extrusion produziert Stangen, Rohre und Profile in verschiedenen Querschnitten. Das Profil des hergestellten Teils hängt von der Form des kalibrierten Formlochs ab. Als Geräte kommen mechanische und hydraulische Pressen zum Einsatz.

Walzen ist eines der produktivsten und vielversprechendsten Verfahren zur Verarbeitung von Pulvermaterialien. In einigen Fällen wird der Walzprozess mit dem Sintern und der Endbearbeitung der resultierenden Werkstücke kombiniert.

Das Sintern wird durchgeführt, um die Festigkeit von zuvor erhaltenen Werkstücken durch Pressen oder Walzen zu erhöhen. Bei gepressten Werkstücken haben einzelne Partikel einen geringen Kontaktanteil, daher geht mit dem Sintern eine Zunahme der Kontakte zwischen einzelnen Pulverpartikeln einher. Je nach Sinterzeit und -temperatur kommt es durch Aktivierung der Kontaktflächenbildung zu einer Erhöhung der Festigkeit und Dichte. Werden die technologischen Parameter überschritten, kann dies zu einer Festigkeitsabnahme durch Kristallisationskornwachstum führen.

An die Sinteratmosphäre werden Anforderungen gestellt - nicht oxidierende Bedingungen zum Erhitzen von Knüppeln.

Die Rohlinge werden nach dem Sinterprozess einer weiteren Bearbeitung unterzogen, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern, die endgültigen Abmessungen und Formen zu erhalten, dekorative Beschichtungen aufzubringen und die Oberfläche des Teils vor Korrosion zu schützen.

Zur Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Sinterrohlingen werden wiederholtes Pressen und Sintern, Imprägnieren mit Schmiermitteln, thermische oder chemisch-thermische Behandlung eingesetzt.

Wiederholtes Pressen und Sintern führt zu Teilen mit höherer Dichte. Gesinterte Materialien können bei erhöhten Temperaturen geschmiedet, gewalzt und gestanzt werden. Die Druckbehandlung verringert die Porosität von Materialien und erhöht ihre Plastizität.

Pulvermetallwerkstoffe sind gesinterte Werkstoffe, die nach dem Pulverdosier-, Umform- und Sinterverfahren hergestellt werden. Zu diesen Materialien gehören Hartlegierungen, dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe, Gleit- und Reibungsmaterialien, Pulverstähle, gesinterte Nichteisenmetalle, poröse Metallwerkstoffe.

Um Sinterteile aus Pulverstahl zu erhalten, werden Mischungen aus Eisenpulvern und Legierungspulvern sowie Kohlenstoff- und legierten Stahlpulvern verwendet. Methoden zur Herstellung von Pulverstählen: Kaltpressen und Sintern; Doppelpressen und Sintern; Heißpressen; Heißprägen. Die Wärmebehandlung von Pulverstählen erfolgt in speziellen Schutzumgebungen. Um den Oxidationsprozess zu verhindern, wird zur Kühlung von Stählen Öl oder Wasser verwendet. Pulverstähle haben ein charakteristisches Strukturelement – Poren. Je größer die Porosität des Materials, desto geringer sind Dichte, Festigkeit und Zähigkeit des Stahls. Viele Materialeigenschaften hängen jedoch nicht monoton von der Porosität ab. Somit variiert die Rissbeständigkeit und Schlagzähigkeit von Eisenpulver nicht-monoton in Abhängigkeit von der Porosität.

Pulvergesinterte Gleitwerkstoffe, die mit Kupfer- und Stahlmatrizen hergestellt werden, sind im modernen Maschinenbau weit verbreitet. Zur Herstellung haltbarerer und hochwertiger Materialien werden spezielle Additive verwendet: Calciumfluorid, Graphit, turbostratisches Bornitrid. Dadurch entsteht nach dem Sinterprozess eine poröse Struktur. Die Porenkanäle dieser Struktur können Ölpartikel und andere flüssige Schmiermittel zurückhalten. Materialien mit poröser Struktur sind am besten geeignet, um Bronze- und Babbit-Metall-Gleitlegierungen zu ersetzen, deren Verwendung recht teuer ist.

In der Pulvermetallurgie werden Mineralkeramiken hergestellt, die unter Verwendung von Eisen, Kobalt und anderen Refraktärmetallen gewonnen werden. Beryllium-Produkte werden auch pulvermetallurgisch hergestellt. Herstellungsverfahren: Formen und Sintern, heiße plastische Verformung.

51. Anorganische Gläser. Technische Keramik

Anorganisches Glas - chemisch komplexe amorphe isotrope Materialien, die die Eigenschaften eines spröden Feststoffs haben.

Die Gläser sind:

1. Glasbildner - Basis:

a) Si0₂ - Silikatglas, wenn Si02 > 99 %, dann handelt es sich um Quarzglas;

b) KI₂O₃ + Si0₂ - Alumosilikatglas;

c)B₂0₃ + Si0₂ - Borosilikatglas;

d) KI₂0₃ + B₂0₃ + Si0₂ - Aluminiumborosilikatglas;

2. Modifikatoren werden eingeführt, um dem Glas bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Durch die Zugabe von Oxiden der Erdalkalimetalle (Gruppe I, II: Na, K) wird der Erweichungspunkt gesenkt. Oxide von Chrom, Eisen und Vanadium verleihen Glas bestimmte Farben. Bleioxide erhöhen den Brechungsindex. Abhängig von der Menge an Modifikatoren kann Glas sein: alkalisch mit einem Modifikatorgehalt von bis zu 20–30 %, alkalifrei – bis zu 5 % Modifikatoren, Quarzglas – ohne Modifikatoren;

3. Kompensatoren, unterdrücken die negativen Auswirkungen von Modifikatoren. Gläser in Autos, Glasfaser, Optik, geringe Wärmeleitfähigkeit, unlöslich in Säuren und Laugen.

Eigenschaften von Glas: Glas zeichnet sich durch eine hohe Härte und Zugfestigkeit aus. Theoretisch erreicht die Zugfestigkeit 10-12 GPa. Elastizitätsmodul E = 70 GPa. Vickershärte HV ~ 750 kgf/mm2. Praktisch liegt die Endfestigkeit bei 50-100 MPa. Ein niedriger aB wird durch folgende Faktoren erklärt: hoher linearer Ausdehnungskoeffizient. Beim Abkühlen des Glases entstehen an seiner Oberfläche Zugspannungen, die zur Entstehung von Rissen führen. Glas ist ein guter Wärmeisolator, was auch zur Rissbildung führt. Glas hält dynamischen Belastungen nicht stand.

Methoden der Glashärtung:

1) Beizen zum Entfernen der fehlerhaften Oberflächenschicht. Die Zugfestigkeit steigt auf 3000 MPa. Eine ineffiziente Methode, da das Glas künftig mit abrasiven Partikeln oder Feststoffen interagiert;

2) Erzeugung von Druckspannungen auf der Oberfläche. Dazu wird gehärtet, auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann in einem bestimmten Modus (Heiztemperatur, Abkühlung und Haltezeit) abgekühlt. Die Zugfestigkeit steigt auf 1000–1500 MPa;

3) Aufbringen von Polymermaterialien auf die Glasoberfläche. Das Polymerbindemittel klebt Mikrorisse auf der Glasoberfläche.

Quarzglas hat eine hohe Gasdurchlässigkeit (Helium, Wasserstoff, Neon) im Vergleich zu anderen Silikatgläsern, die neben Siliziumdioxid Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen enthalten.

Es gibt zwei Parameter, die die Struktur von Doppelphosphatgläsern mit der Struktur von Doppelsilikatgläsern vereinen: Die grundlegende Struktureinheit sind tetraedrische Element-Sauerstoffgruppen; die Zugabe von modifizierenden Oxiden erhöht die Anzahl nicht verbrückender Sauerstoffatome.

Das Härten und Schmelzen von Glas erfolgt allmählich über einen bestimmten Temperaturbereich. Daher gibt es keine spezifische Erstarrungs- oder Schmelztemperatur. Beim Abkühlvorgang geht die Schmelze vom flüssigen in den plastischen Zustand und anschließend in den festen Zustand über (Glasübergangsprozess).

Organische Gläser sind organische Polymere - Polyacrylate, Polycarbonate, Polystyrol, Copolymere von Vinylchlorid mit Methylmethacrylat, die sich in einem glasartigen Zustand befinden. Die größte praktische Anwendung haben Gläser auf Basis von Polymethylmethacrylat gefunden. Organische Gläser unterscheiden sich nach Technologie, Härtungsmechanismus und Struktur von anorganischen.

Elementare Gläser können eine kleine Anzahl von Elementen bilden - Schwefel, Selen, Arsen, Phosphor, Kohlenstoff.

Halogenidgläser werden auf Basis der glasbildenden Komponente BeF2 hergestellt. Mehrkomponentenzusammensetzungen von Fluoroberyllatgläsern umfassen Aluminium-, Calcium-, Magnesium-, Strontium- und Bariumfluoride. Aufgrund ihrer hohen Beständigkeit gegenüber harter Strahlung, einschließlich Röntgenstrahlen, und aggressiven Medien wie Fluor und Fluorwasserstoff werden Fluoroberylatgläser in der Praxis weit verbreitet.

Verfahren zur Gewinnung von Gläsern durch Vakuumverdampfung, Kondensation aus der Dampfphase und Plasmaspritzen gewinnen an industrieller Bedeutung. In diesen Fällen kann Glas unter Umgehung der Schmelze aus der Gasphase gewonnen werden.

Keramik - ein anorganisches Material, das durch Formen von Massen im Prozess des Hochtemperaturbrennens erhalten wird. Oxidkeramiken haben im Vergleich zur Zug- oder Biegefestigkeit eine hohe Druckfestigkeit. Feinkörnige Strukturen sind haltbarer. Mit steigender Temperatur nimmt die Festigkeit von Keramik ab. Reine Oxidkeramiken unterliegen nicht dem Oxidationsprozess.

Sauerstofffreie Keramik. Die Materialien sind sehr spröde. Die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen von Karbiden und Boriden beträgt 900-1000 °C, bei Nitriden ist sie geringer. Silizide widerstehen Temperaturen von 1300-1700 °C. Bei solchen Temperaturen bildet sich auf der Oberfläche ein Silicafilm.

52. Polymere, Kunststoffe

Polymere sind Substanzen, deren Makromoleküle aus zahlreichen sich wiederholenden Elementareinheiten bestehen, die dieselbe Atomgruppe darstellen. Das Molekulargewicht der Moleküle reicht von 500 bis 1000000.

Bei Polymermolekülen wird eine Hauptkette unterschieden, die aus einer Vielzahl von Atomen aufgebaut ist. Die Seitenketten sind kürzer.

Polymere, deren Hauptkette identische Atome enthält, werden Homoketten genannt, und wenn Kohlenstoffatome vorhanden sind, werden sie Carboketten genannt. Polymere, deren Hauptkette verschiedene Atome enthält, werden Heterokette genannt.

Polymermakromoleküle werden nach ihrer Form in lineare, verzweigte, flache, bandförmige, räumliche oder netzförmige eingeteilt.

Lineare Polymermakromoleküle sind lange zickzack- und spiralförmig gedrehte Ketten, die sich durch eine auf starre Abschnitte beschränkte Flexibilität auszeichnen – Segmente, die aus mehreren Einheiten bestehen. Solche Makromoleküle weisen entlang der Hauptkette eine hohe Festigkeit auf, sind schwach miteinander verbunden und sorgen für eine hohe Elastizität des Materials. Durch Erhitzen wird das Polymer (Polyamid, Polyethylen) erweicht und durch anschließendes Abkühlen härtet es aus.

Ein verzweigtes Makromolekül enthält Seitenzweige, und dies erschwert es den Makromolekülen, sich einander zu nähern, und verringert die intermolekulare Wechselwirkung. Polymere mit dieser Form sind durch verringerte Festigkeit, erhöhte Schmelzbarkeit und Brüchigkeit gekennzeichnet. Vernetzte Formen von Makromolekülen sind charakteristisch für haltbarere, unlösliche und unschmelzbare Polymere, die dazu neigen, in Lösungsmitteln zu quellen und beim Erhitzen weich zu werden.

Polymermakromoleküle sind flexibel.

Kunststoffe (Kunststoffe) sind organische Materialien auf der Basis von Polymeren, die in der Lage sind, bei Erwärmung und unter Druck zu erweichen, um eine bestimmte stabile Form anzunehmen. Einfache Kunststoffe bestehen allein aus chemischen Polymeren. Komplexe Kunststoffe enthalten Additive: Füllstoffe, Weichmacher, Farbstoffe, Härter, Katalysatoren.

Füllstoffe werden in Kunststoffen in einer Menge von 40–70 % eingebracht, um die Härte, Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen und spezielle spezifische Eigenschaften zu verleihen. Füllstoffe können Gewebe und pulvrige, faserige Stoffe sein.

Weichmacher (Stearin, Ölsäure) helfen, die Elastizität und Plastizität zu erhöhen und die Verarbeitung von Kunststoffen zu erleichtern.

Kunststoffen werden zur Aushärtung Härter (Amine) und Katalysatoren (Peroxidverbindungen) zugesetzt.

Farbstoffe (Mineralpigmente, Alkohollösungen organischer Farben) verleihen Kunststoffen eine bestimmte Farbe und reduzieren ihre Kosten. Durch die Zusammensetzung der Komponenten, deren Kombination und Mengenverhältnis können Sie die Eigenschaften von Kunststoffen in einem weiten Bereich verändern. Kunststoffe werden nach Merkmalen klassifiziert.

Nach Art des Füllstoffs: mit festem Füllstoff; mit gasförmigem Füllstoff.

Entsprechend der Reaktion des Bindemittelpolymers auf wiederholtes Erhitzen. Thermoplastische Kunststoffe auf Basis eines thermoplastischen Polymers erweichen beim Erhitzen und verhärten beim anschließenden Abkühlen (reine Polymere oder Polymerzusammensetzungen mit Weichmachern, Antioxidantien).

Thermoplaste zeichnen sich durch eine geringe Schwindung von 1-3 % aus. Sie zeichnen sich durch geringe Zerbrechlichkeit, hohe Elastizität und Orientierungsfähigkeit aus.

Duroplastische Kunststoffe auf Basis duroplastischer Polymere (Harze) gehen nach der Wärmebehandlung – Aushärtung – in einen thermostabilen Zustand über und sind spröde, weisen eine hohe Schrumpfung von 10-15 % auf und enthalten Füllstoffe.

Je nach Anwendung werden sie in Gruppen eingeteilt: strukturell - für Leistungsteile und Strukturen, für Nicht-Leistungsteile; Dichtungen, Versiegelung; Reibung und Antifriktion; elektrisch isolierend, röntgentransparent wärmeisolierend; beständig gegen Feuer, Öle, Säuren; Verkleidung und dekorativ.

Polyethylen ist bei 60-100 °C lange haltbar. Die Frostbeständigkeit erreicht -70 °C und darunter. Es ist chemisch beständig und in Lösungsmitteln unlöslich und wird zur Isolierung der Schutzhüllen von Drahtseilen, Teilen von Hochfrequenzanlagen und zur Herstellung korrosionsbeständiger Teile – Rohre, Dichtungen, Schläuche – verwendet. Es wird in Form von Folien, Platten, Rohren und Blöcken hergestellt. Polyethylen unterliegt einer Alterung.

Polystyrol ist ein amorphes, hartes, transparentes Polymer mit linearer Struktur, hohen dielektrischen Eigenschaften, zufriedenstellender mechanischer Festigkeit, niedriger Betriebstemperatur (bis zu 100 °C) und chemischer Beständigkeit gegenüber Laugen, mineralischen und organischen Säuren sowie Ölen. Es quillt in 65 %iger Salpeter- und Eisessigsäure, Benzin und Kerosin. Bei Temperaturen über 200 °C zersetzt es sich und bildet Styrol. Polystyrol wird zur Herstellung leicht belasteter Teile und Hochfrequenzisolatoren verwendet. Nachteile - Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen, Tendenz zur allmählichen Bildung von Oberflächenrissen.

Kunststoffe werden im Maschinen- und Instrumentenbau vielfach zur Herstellung von Teilen verwendet. Kunststoffe für Elektrozwecke werden als elektrische Isoliermaterialien in Maschinenkonstruktionen verwendet.

Autor: Buslaeva E.M.

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