Ciência de materiais. Folha de dicas: resumidamente, o mais importante

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Ciência de materiais. Folha de dicas: resumidamente, o mais importante

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Índice analítico

O assunto da ciência dos materiais; classificação moderna de materiais, principais etapas no desenvolvimento da ciência dos materiais
Estrutura de grãos de metais. Limites de grão e subgrão
Luz do microscópio; características quantitativas da microestrutura
célula elementar; número de coordenação; singonia
Classificação de defeitos na estrutura cristalina. Defeitos pontuais, dependência de sua concentração com a temperatura. Deslocamentos de aresta e parafuso
Difusão em metais
Transições de fase do primeiro e segundo tipo
Fusão de metais e a estrutura de derretimentos
Cristalização de metais; nucleação de cristais, germe crítico; nucleação homogênea e heterogênea de cristais; crescimento do cristal. Curvas Tamman
Estrutura de lingotes e ligas amorfas
Modificação de metais. Testes padrão para tração, compressão, flexão, dureza, resistência ao impacto
Transformações de fase no estado sólido
Deformação elástica e plástica de metais
Tipos de fratura: conceitos de fratura dúctil e frágil
Propriedades elétricas de materiais condutores
Métodos para determinar propriedades elétricas
Capacidade térmica e condutividade térmica de metais e ligas
Dilatometria. Propriedades magnéticas de metais e ligas. Métodos de determinação
O valor das propriedades mecânicas e físicas na operação de produtos
Propriedades como indicadores de qualidade do material
Tipos de fases em ligas metálicas. Regra de fase; regra da alavanca
Soluções sólidas de substituição e introdução; fases intermediárias; superestruturas
Sistema com solubilidade ilimitada nos estados líquido e sólido; Sistemas eutéticos, peritéticos e monotéticos. Sistemas com polimorfismo de componentes e transformação eutetóide
Sistema com eutético triplo e quase total ausência de solubilidade dos componentes no estado sólido; seções isotérmicas e politérmicas
Regra de alavancagem e centro de gravidade de um triângulo
Dependência de propriedades mecânicas e físicas na composição em sistemas de vários tipos
A escolha de ligas para um fim específico com base na análise de diagramas de estado
A estrutura e propriedades do ferro; diagramas de fase ferro-carbono metaestáveis e estáveis. Formação da estrutura dos aços carbono. Determinação do teor de carbono no aço por estrutura
Aços carbono estruturais e ferramenta. Marcação, aplicação
Ferros fundidos brancos, cinzentos, semi, dúcteis e maleáveis
Formação de microestruturas, propriedades, rotulagem e aplicações
O papel do tratamento térmico na melhoria da qualidade dos materiais estruturais
O uso de tratamento térmico na tecnologia de produção de blanks e produtos de materiais estruturais
Recozimento do 1º tipo. Cristalização fora do equilíbrio
Recozimento de homogeneização, mudança na estrutura e propriedades durante o recozimento de homogeneização. Endurecimento com transformação polimórfica. Endurecimento sem transformação polimórfica
Alterações na microestrutura e nas propriedades mecânicas dos metais durante o aquecimento após trabalho a quente e a frio por pressão
Retorno, recristalização primária e coletiva. Recozimento de recristalização
Recozimento do segundo tipo. Recozimento e normalização de aços; modos e finalidade de recozimento e normalização
Lançamento de aços. Transformações no aço durante o revenido, mudanças na microestrutura e propriedades
Tratamento químico-térmico do aço. Finalidade, tipos e padrões gerais. Saturação por difusão de ligas com metais e não metais
Classificação e marcação de aços ligados. Influência dos elementos de liga nas transformações, microestrutura e propriedades do aço; princípios para o desenvolvimento de ligas de aço
Aços estruturais: construção, engenharia, alta resistência. Aços para ferramentas: aços para ferramentas, aços para rolamentos, aços para matrizes
Aços inoxidáveis, resistentes ao calor e resistentes ao calor, resistentes ao frio, elétricos e resistentes ao desgaste
Marcação, estrutura, propriedades e aplicações de metais não ferrosos e suas ligas
Alumínio; a influência de impurezas nas propriedades do alumínio; ligas de alumínio forjado e fundido
Cobre; influência das impurezas nas propriedades do cobre. Latão, bronze, ligas de cobre-níquel
Magnésio e suas ligas
Titânio e suas ligas
Tipos de materiais compósitos. Estrutura, propriedades, aplicações
Composição química, métodos para obtenção de pós, propriedades e métodos para seu controle
Formação e sinterização de pós, campos de aplicação
vidros inorgânicos. Cerâmica técnica
Polímeros, plásticos

1. O tema da ciência dos materiais; classificação moderna de materiais, principais etapas no desenvolvimento da ciência dos materiais

A ciência dos materiais estuda a composição, estrutura, propriedades e comportamento dos materiais dependendo das influências ambientais. O impacto pode ser térmico, elétrico, magnético, etc. Qualquer componente de estruturas ou estruturas está sujeito a cargas tanto de outros componentes quanto do ambiente externo.

Classificação dos materiais: metálicos, não metálicos e materiais compósitos. Os materiais metálicos são divididos em metais não ferrosos, materiais em pó. Materiais não metálicos: borracha, vidro, cerâmica, plásticos, vitrocerâmica. Materiais compostos são materiais compostos, que incluem dois ou mais materiais (fibra de vidro).

Existe uma classificação de materiais em função do tipo de produtos semi-acabados: folhas, pós, grânulos, fibras, perfis, etc.

A técnica de criação de materiais é a base para a classificação por estrutura.

Os materiais metálicos são divididos em grupos de acordo com o componente que os fundamenta. Materiais de metalurgia ferrosa: aços, ferros fundidos, ferroligas, ligas em que o componente principal é o ferro. Materiais de metalurgia não ferrosa: alumínio, cobre, zinco, chumbo, níquel, estanho.

A base da tecnologia moderna é composta de metais e ligas metálicas. Hoje, os metais são a classe de materiais mais versáteis em termos de aplicação. Para melhorar a qualidade e confiabilidade dos produtos, novos materiais são necessários. Materiais compostos, poliméricos e em pó são usados para resolver esses problemas.

Os metais são substâncias que possuem maleabilidade, brilho, condutividade elétrica e condutividade térmica. Na engenharia, todos os materiais metálicos são chamados de metais e são divididos em dois grupos.

Metais básicos - metais que possuem uma pequena quantidade de impurezas de outros metais.

Metais compostos - metais que são combinações de um metal simples como base com outros elementos.

Três quartos de todos os elementos da tabela periódica são metais.

A ciência dos materiais ou a ciência dos materiais foi desenvolvida desde os tempos antigos. A primeira etapa no desenvolvimento da ciência dos materiais começa com a fabricação especializada de cerâmica. Uma contribuição especial para o desenvolvimento da ciência dos materiais na Rússia foi feita por M.V. Lomonosov (1711-1765) e D.I. Mendeleiev (1834-1907). Lomonosov desenvolveu um curso de química física e atomística química, confirmou a teoria da estrutura atômica e molecular da matéria. Mendeleev é creditado com o desenvolvimento da tabela periódica dos elementos. Ambos os cientistas prestaram atenção considerável ao problema da produção de vidro.

No século XNUMX contribuição para o desenvolvimento da ciência dos materiais foi feita por F.Yu. Levinson-Lessing, E. S. Fedorov, V. A. Obruchev, A. I. Fersman, N. N. Belelubsky. Novos materiais estão sendo produzidos: cimento Portland, novos gessos, concretos cimentícios, materiais poliméricos, etc.

Na engenharia mecânica, metais e ligas metálicas são amplamente utilizados, razão pela qual a ciência dos metais é uma parte importante da ciência dos materiais.

A ciência do metal como ciência surgiu na Rússia no século XNUMX; é a base científica para o desenvolvimento de novos processos tecnológicos ideais: tratamento térmico, fundição, laminação, estampagem, soldagem. A combinação de alta resistência e dureza com boa ductilidade, tenacidade e usinabilidade, não encontrada em outros materiais, foi o motivo da utilização dos metais como principal material estrutural em todas as áreas da tecnologia.

Pela primeira vez, a existência de uma conexão entre a estrutura do aço e suas propriedades foi estabelecida pelo notável cientista russo P.P. Anosov (1799-1851), que revelou o segredo há muito perdido de fazer e obter pelos antigos mestres do aço damasco oriental, que é usado para a produção de lâminas. O aço damasco de Anosov era famoso em todo o mundo e até exportado para o exterior. As lâminas que eram feitas deste aço se distinguiam pela alta dureza e tenacidade. P.P. Anosov é considerado o "iniciador" da produção de aço de alta qualidade, ele foi o primeiro a usar um microscópio para determinar a estrutura do aço e iniciou o estudo da relação regular entre a estrutura e as propriedades das ligas.

O fundador da metalurgia científica D.K. Chernov (1839-1921), que descobriu as transformações de fase no aço em 1868. Descoberta de D. K. Os pontos críticos a e b de Chernov (de acordo com a designação moderna A1 e A3) revolucionaram o conhecimento da natureza das ligas metálicas e permitiram explicar vários fenômenos "misteriosos" que ocorrem durante o tratamento térmico dos aços.

Uma enorme contribuição para o desenvolvimento da ciência dos metais foi feita por N.S. Kurnakov, A. A. Baikov, N. T. Gudtsov, A. A. Bochnar, G. V. Kurdyumov, S.S. Shteyberg, A. P. Gulyaev, assim como outros cientistas soviéticos.

De grande importância no desenvolvimento da ciência do metal e do tratamento térmico foram os trabalhos de Osmond (França), Seitz, Bain e Meil (EUA), Tammann e Hahnemann (Alemanha).

No século XNUMX, grandes conquistas foram feitas na teoria e na prática da ciência dos materiais, materiais de alta resistência para ferramentas foram criados, materiais compostos foram desenvolvidos, as propriedades dos semicondutores foram descobertas e usadas, métodos para fortalecer peças por processos térmicos e químicos. tratamento térmico foram melhorados.

2. Estrutura de grãos dos metais. Limites de grão e subgrão

Os metais são corpos policristalinos, consistem em pequenos cristais. Eles são caracterizados por propriedades metálicas e compõem 50% de todos os elementos químicos. A estrutura dos metais e suas ligas é cristalina.

No processo de cristalização, os cristais adquirem uma forma irregular. Eles são chamados de grãos. Cada grão tem sua própria orientação de rede cristalina, que difere da orientação dos grãos vizinhos. O tamanho de grão de um metal afeta suas propriedades mecânicas. Essas propriedades, tenacidade e plasticidade, são muito maiores se o metal tiver um grão fino.

As interfaces de grãos são chamadas de contornos de grão, que podem ser: inclinadas quando o eixo de rotação está localizado no mesmo plano que o contorno; torcido com o eixo perpendicular ao plano. Tal pedaço de metal é um policristal. Os contornos de grão são determinados pelos pontos de contato entre os cristais adjacentes. O tamanho, estrutura e natureza da estrutura dos grãos podem ser julgados a partir das fraturas do metal.

Em materiais policristalinos, o tamanho do grão é de 1 a 1000 mícrons. Os grãos são desorientados, girados um em relação ao outro até dezenas de graus. Os limites são o principal defeito nos metais. Nos limites entre os grãos, os átomos não têm o arranjo correto. Há uma região de transição com vários diâmetros atômicos de largura, na qual a rede de um grão passa para a rede de outro grão com uma orientação diferente. A estrutura da camada de transição (fronteira) contribui para o acúmulo de discordâncias nela, pois ao passar pela fronteira, nem o plano de escorregamento nem o vetor de Burgers permanecem inalterados. A violação do arranjo correto contribui para o fato de que nos contornos de grão a concentração dessas impurezas que diminuem a energia de superfície é aumentada. Dentro dos grãos, a estrutura cristalina correta é perturbada.

Os limites dos subgrãos são menos perturbados.

Todos os metais têm propriedades comuns: ductilidade, alta condutividade térmica e elétrica, brilho metálico específico, aumento da resistência elétrica com o aumento da temperatura.

Um único cristal cresce a partir de um líquido fundido, que é um único cristal. Os tamanhos dos cristais únicos são pequenos, eles são usados em laboratórios para estudar as propriedades de qualquer substância. Metais e ligas, que são obtidos nas condições mais comuns, consistem em um grande número de cristais, possuem uma estrutura policristalina.

O estudo da estrutura dos metais usando análise de difração de raios X e um microscópio eletrônico permitiu estabelecer que a estrutura cristalina interna do grão não está correta. Nas redes cristalinas dos metais reais, existem vários defeitos (imperfeições) que quebram as ligações entre os átomos e afetam as propriedades dos metais. Todos os defeitos da rede são violações do empilhamento de átomos na rede.

O arranjo dos átomos na rede pode ser na forma de um cubo centrado (b- e c-ferro, b-titânio, cromo, molibdênio, tungstênio, vanádio), um cubo cujas faces são centradas (g-ferro, alumínio, cobre, níquel, chumbo, c-cobalto) ou hexagonal, ou na forma de uma célula (magnésio, zinco).

Grãos em policristais não são monolíticos, mas consistem em subgrãos separados, que são girados um em relação ao outro por um pequeno ângulo. Um subgrão é um poliedro que contém um pequeno número de discordâncias ou nenhuma. As principais características dos subgrãos: tipo, localização, estrutura, densidade de discordâncias. Muitas discordâncias são formadas como resultado do cisalhamento mecânico.

Os limites de subgrãos e grãos em metais são divididos em baixo ângulo e alto ângulo. Os limites de baixo ângulo são observados entre os subgrãos e têm uma estrutura de discordância. Um limite de baixo ângulo pode ser representado por uma série de discordâncias de borda paralelas. A formação de subgrãos com discordâncias de baixo ângulo é chamada de poligonização. A estrutura dos limites de alto ângulo é mais complexa. Subfronteiras são formadas por certos sistemas de deslocamentos. Dependendo de qual material e qual efeito o ambiente tem sobre ele, a localização das discordâncias está localizada. Se o metal estiver levemente deformado, os planos de deslizamento são o local de acúmulo de discordâncias. Se, no entanto, metais como alumínio e ferro são submetidos a deformações severas, então as discordâncias se apresentam na forma de plexos complexos: espaços, redes.

A estrutura na qual os subgrãos estão desorientados uns em relação aos outros em um ângulo de 15-300 é bloco ou mosaico.

A densidade das discordâncias em um metal aumenta com o aumento do ângulo de desorientação dos subgrãos e com a diminuição de seu tamanho. Os átomos localizados nos contornos de grão e os átomos na superfície do cristal, devido às forças descompensadas da interação interatômica, possuem uma energia potencial maior em comparação com os átomos no volume dos subgrãos. A presença de discordâncias afeta as propriedades de resistência dos metais. De acordo com cálculos teóricos, o limite elástico dos metais puros é 1000 vezes maior que o real, e o limite elástico do aço é 100 vezes maior.

3. Microscopia de luz; características quantitativas da microestrutura

Uma grande variedade de métodos é usada para estudar a estrutura interna de ligas, a maioria dos quais são baseados em princípios físicos.

O estudo da estrutura dos metais começa com a ajuda de um método simples e comum em laboratórios científicos e industriais - a microscopia de luz (método metalográfico). Pela primeira vez, o estudo de metais usando um microscópio foi realizado por P.P. Anosov. Ele estava envolvido no estudo do aço damasco.

A microscopia de luz é usada para estudar o tamanho, forma, arranjo de grãos, defeitos na estrutura cristalina (gêmeos, discordâncias), e também é usada para prever o comportamento de metais sob condições de operação.

Todos os metais são substâncias opacas (à luz visível). A forma dos cristais, seu tamanho e localização são estudados em microseções especialmente feitas. Neste caso, é feito um corte de metal no plano de interesse do pesquisador, o plano resultante é retificado e polido.

Você pode aplicar moagem grossa e fina, a fim de eliminar a irregularidade da superfície da seção. A retificação é realizada antes do polimento. Para obter uma superfície plana, é necessário alterar a direção do movimento das amostras em 90° ao trocar o abrasivo. A moagem deve ser continuada até que os riscos da operação anterior desapareçam. De acordo com os resultados da retificação, a rugosidade da superfície deve ser inferior a 0,08 mícrons.

O polimento é realizado para obter uma superfície espelhada da amostra. O polimento pode ser mecânico, eletroquímico e químico-mecânico.

A retificação mecânica é realizada usando uma máquina com uma roda giratória, que é coberta com material de polimento. Partículas abrasivas são aplicadas a este material.

O polimento químico-mecânico é realizado com partículas abrasivas e elementos químicos.

O polimento eletroquímico é realizado em um banho eletrolítico. A corrente é usada para suavizar a superfície.

Durante a retificação e polimento mecânicos, ocorre deformação plástica da superfície da amostra. Dependendo da dureza do material, a profundidade da deformação da superfície pode atingir até 25 mícrons.

Após moagem e polimento, a amostra processada é imersa em água, depois em álcool, após o que é seca com papel de filtro.

Para revelar a estrutura, um relevo é criado ou os componentes estruturais são pintados em cores diferentes, o que é obtido por ataque químico. Ao fazer o ataque ácido, o ácido age nos contornos de grão, pois existem locais com estrutura defeituosa, que se tornarão depressões na seção atacada; a luz que incide sobre eles é espalhada e no campo de visão do microscópio eles aparecerão escuros, e o corpo do grão - claro.

Para examinar microseções no estudo da microestrutura de metais, são utilizados microscópios especiais, nos quais o feixe da fonte de luz, refletido na seção, passa pela objetiva e pela ocular, dando uma ampliação adequada.

A ampliação total de um microscópio é igual ao produto das ampliações da objetiva e da ocular.

Sob um microscópio em uma microseção após o polimento, você pode ver microfissuras e inclusões não metálicas (grafite em ferros fundidos, óxidos). Para revelar a própria microestrutura do metal, a superfície da seção fina é gravada, ou seja, é tratada com reagentes especiais, cuja composição depende da composição do metal. A detecção da microestrutura durante a gravação é baseada no fato de que diferentes fases são gravadas de forma diferente e coloridas de forma diferente. Como resultado de microseções de corrosão de metais puros, é possível revelar a forma e o tamanho de grãos individuais. A microanálise permite estabelecer o tamanho, forma e orientação dos grãos, fases individuais e componentes estruturais, mudanças na estrutura interna de metais e ligas, dependendo das condições de sua produção e processamento.

Para examinar os detalhes da estrutura, é usado um microscópio eletrônico, onde a imagem é formada usando um fluxo de elétrons em movimento rápido. Existem métodos diretos e indiretos para estudar a estrutura. Os métodos indiretos são baseados em uma técnica especial para preparar impressões de filmes finos que refletem o relevo de uma seção condicionada. Ao examinar a réplica resultante, os detalhes da estrutura são observados, seu tamanho mínimo é de 2 a 5 nm. Os métodos diretos possibilitam o estudo de chapas metálicas finas de até 300 nm de espessura em transmissão usando microscópios eletrônicos de alta resolução (microscópios UEMV-100, UEMV-100A, UEMV-100V).

Um microscópio óptico não é um aparelho que pode detectar um cristal de qualquer tamanho.

A metalografia quantitativa enfrenta certas dificuldades. Assim, o problema de determinar os parâmetros quantitativos de um objeto tridimensional estudando sua seção bidimensional é resolvido de várias maneiras. Usando o método comparativo e o método do comprimento médio do segmento que atravessa o grão, o tamanho dos grãos metálicos é determinado.

Hoje, é utilizado um sistema automatizado de estudo de microsseções de metais, que inclui o uso de microscópio, câmera de vídeo, video blaster e computador pessoal.

4. Célula unitária; número de coordenação; singonia

Direções e planos cristalográficos, anisotropia; distâncias interplanares Uma rede cristalina é um arranjo ordenado de átomos. A célula unitária de um cristal é o volume mínimo de um cristal que preserva completamente todas as suas propriedades. Os átomos na rede estão arranjados de forma diferente.

A célula unitária se repete em três dimensões e forma uma rede cristalina. A estrutura de um cristal é determinada pela posição dos átomos na célula unitária.

Número de coordenação - o número total de moléculas neutras e íons que têm uma ligação com o íon central no complexo.

1. Os elementos do quarto grupo têm uma ligação covalente saturada e direcionada, e cada átomo tem quatro vizinhos. O número de vizinhos mais próximos é o número de coordenação. A rede elementar é um tetraedro com um átomo no centro e quatro átomos nos vértices.

2. Quando uma ligação iônica é formada, as redes cristalinas são mais compactas, o número de coordenação chega a 6 devido à insaturação da ligação iônica. Exemplo: a rede cristalina do NaCI é um cubo primitivo com íons cloreto e sódio nos vértices.

3. As ligações metálicas tornam as redes cristalinas mais compactas. Os números de coordenação atingem valores de 8 e 12. Três tipos de redes cristalinas são formadas em materiais metálicos: cúbica de corpo centrado (bcc), cúbica de face centrada (fcc) e hexagonal compacta (HP).

Singonia - uma das divisões de cristais com base na simetria de sua célula elementar com os mesmos sistemas de eixos coordenados. Syngony caracteriza a simetria de estruturas tridimensionais com simetria translacional em três direções.

Sete sistemas axiais são distinguidos dependendo do comprimento dos segmentos cortados nos eixos cristalográficos e da posição relativa desses eixos.

1. Singonia cúbica. Três eixos iguais se cruzam em ângulos retos.

2. Singonia tetragonal. Dois segmentos do eixo de mesmo comprimento se cruzam em ângulo reto, o terceiro eixo é perpendicular a eles e o segmento cortado nele é de comprimento diferente.

3. Singonia rômbica. Três eixos de comprimentos diferentes se cruzam em ângulos retos.

4. Singonia monoclínica. Dois eixos de comprimentos diferentes se cruzam em um ângulo oblíquo, o terceiro eixo faz um ângulo reto com eles.

5. Singonia triclínica. Três eixos de comprimentos diferentes se cruzam em ângulos oblíquos.

6. Singonia trigonal. Três segmentos dos eixos de igual comprimento se cruzam em um plano em um ângulo de 60 ° C, o terceiro eixo é perpendicular a esse plano e o segmento cortado nele tem um comprimento diferente.

7. Singonia hexagonal. A posição dos eixos é semelhante à sua posição na singonia trigonal.

A ordenação do arranjo dos átomos na rede cristalina torna possível destacar direções e planos cristalográficos individuais.

Direções cristalográficas - raios diretos vindos de qualquer ponto de referência, ao longo do qual os átomos estão localizados. Os pontos de referência são os vértices do cubo. Direções cristalográficas - arestas e diagonais das faces do cubo. Pode haver outras direções. Planos cristalográficos são planos nos quais os átomos se encontram.

As direções e planos cristalográficos são caracterizados por índices de Miller, que determinam suas várias posições. Planos paralelos na rede cristalina, construídos de forma idêntica, têm os mesmos índices. Para que os índices sejam obtidos a partir de inteiros simples, o plano pode ser deslocado em paralelo. A posição de qualquer nó da rede cristalina em relação a uma origem escolhida arbitrariamente é determinada definindo as coordenadas x, y, z. Para uma célula elementar, essas coordenadas são iguais aos parâmetros de rede a, b, c, respectivamente.

Para determinar o índice, encontre as coordenadas do átomo mais próximo do ponto de referência, situado nesta direção, expresso em termos do parâmetro de rede.

Todas as propriedades físicas, incluindo a força, dos metais ao longo de diferentes direções cristalográficas dependem do número de átomos localizados nas direções mencionadas. Existem diferentes números de átomos na rede cristalina em diferentes direções. Em substâncias cristalinas, a anisotropia deve ser observada, ou seja, propriedades desiguais ao longo de diferentes direções.

Anisotropia - o resultado de um arranjo ordenado de átomos em corpos cristalinos, manifesta-se dentro de um único cristal. Os metais reais são corpos policristalinos, incluindo numerosos grãos arbitrariamente orientados entre si por suas direções e planos cristalográficos. A anisotropia das propriedades mecânicas é observada ao testar amostras cortadas em diferentes direções cristalográficas.

Metais reais têm uma isotropia média e são chamados de corpos quase isotrópicos ou pseudoisotrópicos.

Distância interplanar - a menor distância que separa os planos nodais paralelos e igualmente espaçados.

5. Classificação de defeitos na estrutura cristalina. Defeitos pontuais, dependência de sua concentração na temperatura. Deslocamentos de borda e parafuso

Um único cristal pode ser cultivado a partir de um líquido fundido. Um monocristal é um pedaço de metal de um único cristal. Metais e ligas, que são obtidos em condições normais, consistem em um grande número de cristais e possuem uma estrutura policristalina. Esses cristais são chamados de grãos e têm forma irregular. Cada grão tem sua própria orientação de rede cristalina e difere da orientação dos grãos vizinhos.

A estrutura cristalina interna do grão não está correta. Existem defeitos (imperfeições) nas redes cristalinas dos metais que quebram as ligações entre os átomos e afetam as propriedades dos metais. Todos os defeitos da rede são violações do empilhamento de átomos na rede. As imperfeições da superfície são os limites dos grãos de metal. As seguintes imperfeições estruturais são distinguidas: defeito de treliça, ponto, pequeno, linear, plano. Defeitos de cristal alteram significativamente as propriedades físicas, mecânicas, químicas e tecnológicas dos metais.

Defeitos pontuais incluem vacâncias (locais vazios), átomos intersticiais estranhos. Quanto maior a temperatura, mais defeitos.

Átomos de impureza são uma das imperfeições mais comuns na estrutura cristalina (vazias, átomos deslocados).

As vagas são um nó vazio da rede cristalina, que se forma devido a vários motivos. Fontes de lacunas são contornos de grãos nos quais o arranjo correto dos átomos é violado. O número de vagas e sua concentração dependem da temperatura de processamento. O número de vagas aumenta com o aumento da temperatura. Vacâncias únicas são encontradas ao se mover através do cristal e se combinam em pares, formando divacâncias, enquanto sua superfície total diminui, a estabilidade da vacância emparelhada aumenta e a formação de trivacâncias e cadeias inteiras é possível.

Átomos deslocados são átomos que deixaram o nó da rede cristalina e ocuparam um lugar nos interstícios. Refere-se a defeitos pontuais.

Os átomos de impureza ocupam o lugar dos átomos principais na rede cristalina ou são introduzidos na célula (uma espécie de defeitos pontuais).

Se a correção da estrutura cristalina em torno de vacâncias, átomos deslocados e átomos de impurezas for violada, o equilíbrio dos campos de força dos átomos em todas as direções também será violado. Todas as mudanças não são mais do que alguns diâmetros atômicos. Defeitos pontuais interagem entre si. Existe uma interação de defeitos pontuais e com defeitos lineares - deslocamentos.

Os defeitos lineares são pequenos em duas dimensões, na terceira são maiores, o que pode ser proporcional ao comprimento do cristal. Defeitos lineares incluem cadeias de lacunas, átomos intersticiais e deslocamentos. As discordâncias podem ser bastante estendidas em uma direção e ter uma pequena extensão na direção oposta. A resistência e a ductilidade dos metais dependem diretamente da presença de discordâncias.

Imperfeições lineares - deslocamentos, são um tipo especial de imperfeições na rede cristalina. Uma característica da estrutura de discordâncias é a densidade de discordâncias.

Atualmente, vários mecanismos de formação de deslocamento são conhecidos. Os deslocamentos podem surgir durante o crescimento dos grãos, durante a formação dos subgrãos. Foi estabelecido experimentalmente que os contornos de grãos e blocos têm uma alta densidade de discordâncias. Durante a cristalização de um fundido, é energeticamente favorável quando o núcleo cresce com a formação de uma discordância em parafuso em sua superfície. Promove a formação de deslocamentos e a segregação de impurezas. Em um metal solidificado, as discordâncias surgem como resultado do acúmulo de vacâncias.

A região de imperfeição do cristal ao redor da borda do extraplano é chamada de discordância de borda (linear). Uma discordância de borda representa um campo de tensões elásticas que decai rapidamente na rede cristalina em torno da borda do extraplano, causada pelo fato de que acima dessa borda os parâmetros da rede são um pouco comprimidos e, abaixo, respectivamente, são esticados. Em uma dimensão, o comprimento da discordância tem um caráter macroscópico (uma discordância pode se romper apenas no limite do cristal - é o limite da zona de cisalhamento). O movimento da discordância de borda é conservativo.

Se o extraplano estiver na parte superior do cristal, o deslocamento é chamado de positivo; se o extraplano estiver na parte inferior do cristal, então é chamado de negativo.

Deslocamentos em parafuso são formados se duas partes do cristal são deslocadas em direção ao plano de acumulação de vacâncias.

Se uma discordância de parafuso for formada pela rotação no sentido horário, ela será chamada de direita, se for anti-horária - esquerda. A vacância e os átomos intersticiais não fluem para a discordância helicoidal. A formação de discordâncias parciais e mistas também é possível. A formação de discordâncias aumenta a energia do cristal.

As discordâncias contribuem para um aumento da tensão interna nos metais. O uso de luz polarizada permite revelar os campos de tensão que surgem ao redor das discordâncias.

6. Difusão em metais

A difusão é a transferência de matéria devido ao movimento térmico aleatório de partículas em difusão. Quando um gás se difunde, suas moléculas mudam sua direção de movimento quando colidem com outras moléculas.Os principais tipos de movimento durante a difusão em sólidos são saltos periódicos aleatórios de átomos de um sítio da rede cristalina para um sítio vizinho ou vacância.

O desenvolvimento do processo de difusão leva à formação de uma camada de difusão, que é entendida como uma camada do material da peça próxima à superfície de saturação, que difere da inicial em composição química, estrutura e propriedades.

O movimento de difusão de qualquer átomo é um passeio aleatório devido à grande amplitude de oscilações, que não depende do movimento de outros átomos, nem do movimento anterior desse átomo. Vibrações independentes da temperatura dos átomos em torno da posição de equilíbrio geralmente ocorrem com uma frequência de ~10¹³ с^-1

A questão de determinar o mecanismo de difusão é muito complexa. Um papel importante na solução desse problema foi desempenhado pelas obras de Ya.I. Frenkel, que mostra a enorme influência dos defeitos na rede cristalina, especialmente das vacâncias, no processo de movimento de difusão dos átomos. O mais difícil é o mecanismo de troca simples de difusão, e o mais provável é o mecanismo de vacância. Cada mecanismo de difusão corresponde a uma determinada energia de ativação Q, ou seja, o valor da barreira de energia que um átomo deve superar ao passar de uma posição para outra.

O movimento sob o mecanismo de difusão crowdion é semelhante à propagação de uma onda: cada átomo é deslocado por uma pequena quantidade e a perturbação se propaga rapidamente. Para a difusão, as vacâncias e suas associações (bivacâncias, complexos átomo de vacância-impureza), bem como os defeitos que são suas fontes (linear e superficial) são de grande importância.

O principal mecanismo de autodifusão e difusão em soluções sólidas substitucionais é o mecanismo de vacância. Em soluções sólidas intersticiais, o principal mecanismo para o movimento de pequenos átomos de impureza é o intersticial.

Se duas peças bem conectadas de metais puros A e B forem recozidas por um longo tempo, será observada a penetração mútua de metais e um deslocamento da interface inicial marcada por marcas inertes (partículas de óxido ou fios de tungstênio) por um valor Δx, que é diretamente proporcional à raiz quadrada do tempo de recozimento. Se D_А > D_В, então o componente A penetra em B a uma taxa mais rápida do que B em A, como resultado do aumento de volume da parte B da amostra.

A metalização por difusão é o processo de saturação por difusão da superfície de produtos com metais ou metalóides. A saturação por difusão é realizada em uma mistura de pó, meio gasoso ou metal fundido (se o metal tiver um baixo ponto de fusão).

Borretação - saturação de difusão da superfície de metais e ligas com boro para aumentar a dureza, resistência à corrosão, resistência ao desgaste é realizada por eletrólise em sal de boro fundido. Boriding fornece uma dureza de superfície particularmente alta, resistência ao desgaste, aumenta a resistência à corrosão e resistência ao calor. Os aços boro apresentam alta resistência à corrosão em soluções aquosas de ácidos clorídrico, sulfúrico e fosfórico. A boretação é usada para peças de ferro fundido e aço que operam sob condições de fricção em um ambiente agressivo (em engenharia química).

Cromagem - a saturação por difusão com cromo é realizada em misturas de pó de cromo ou ferrocromo com a adição de cromo de amônio (1%) e óxido de alumínio (49%) a uma temperatura de 1000 ... 1050 ° C com uma exposição de 6 ... 12 horas A cromagem é utilizada para peças que trabalham por desgaste em vapor-água e ambientes agressivos (conexões, válvulas). Durante a cromagem de produtos de aço de baixo carbono, a dureza aumenta e uma boa resistência à corrosão é adquirida.

A aluminização é um processo de saturação por difusão da camada superficial com alumínio, realizado em misturas de alumínio em pó ou em alumínio fundido. O objetivo é obter alta resistência ao calor da superfície das peças de aço. A aluminização é realizada em meios sólidos e líquidos.

Siliconização - a saturação de difusão com silício é realizada em uma atmosfera gasosa. A camada saturada de silício da peça de aço não tem dureza muito alta, mas alta resistência à corrosão e maior resistência ao desgaste em água do mar, ácido nítrico, ácido clorídrico em ácido sulfúrico. As peças siliconizadas são utilizadas nas indústrias química, papel e celulose e petróleo. Para aumentar a resistência ao calor, a siliconização é utilizada para produtos feitos de ligas à base de molibdênio e tungstênio, que possuem alta resistência ao calor.

Na ciência dos materiais, teorias macro e microscópicas de difusão estão sendo desenvolvidas. Na teoria macroscópica, a ênfase é colocada no formalismo, ou seja, nas forças e parâmetros termodinâmicos. A teoria microscópica usa mecanismos baseados na teoria dos saltos atômicos.

7. Transições de fase de primeiro e segundo tipo

Os componentes no estado líquido (componentes A) são infinitamente solúveis, os componentes no estado sólido (componentes B) não formam compostos químicos e são insolúveis.

Diagramas de estado representam um gráfico nas coordenadas da liga - temperatura, que reflete os produtos formados como resultado da interação dos componentes da liga entre si em condições de equilíbrio termodinâmico em diferentes temperaturas. São substâncias que, dependendo da temperatura e da composição, apresentam um certo estado de agregação, uma natureza específica da estrutura e certas propriedades, são chamadas de fases. Uma fase é uma parte homogênea da liga, que possui a mesma composição, estrutura e propriedades. A fase líquida é uma solução de componentes fundidos. As fases sólidas são grãos que possuem uma certa forma, tamanho, composição, estrutura e propriedades específicas. São soluções sólidas, compostos químicos, bem como grãos de componentes puros que não formam soluções sólidas ou compostos químicos com outros componentes.

O diagrama de estado, que exibe o estado limite das ligas, pode ser dividido em áreas. Áreas separadas consistem em uma fase e algumas - em duas, têm diferentes composições, estruturas e propriedades. Os diagramas de estado contêm informações necessárias para criar e processar ligas.

Diagrama de estado do primeiro tipo. Regra do segmento. Este diagrama cobre ligas cujos componentes formam misturas de seus grãos praticamente puros com solubilidade mútua desprezível.

A estrutura de fase das ligas no diagrama depende da temperatura. Com a ação termodinâmica dos componentes uns sobre os outros, a temperatura de sua transição para o estado líquido diminui.

Uma liga de dois componentes que derretem a uma temperatura mínima é chamada de eutética ou eutética. O eutético é uma mistura uniforme de pequenos grãos cristalizados simultaneamente de ambos os componentes. A temperatura na qual ambos os componentes fundem simultaneamente é chamada de temperatura eutética.

A transição das ligas do estado líquido para o estado sólido durante a cristalização ocorre na faixa de temperatura entre a linha liquidus e a temperatura eutética, que corresponde à linha solidus.

Todas as mudanças quantitativas nas ligas durante a cristalização estão sujeitas à regra dos segmentos. Dependendo da composição, todas as ligas são divididas em hipoeutéticas e hipereutéticas. As ligas hipoeutéticas contêm o componente A acima de (100-Ve)%. Neles, é um componente redundante. Em ligas hipereutéticas, o componente B é redundante (sua quantidade excede Be).

A quantidade de cada componente estrutural é calculada de acordo com a regra dos segmentos em relação à temperatura eutética.

Diagrama de estado do segundo tipo. Segregação dendrítica. Com solubilidade ilimitada de componentes entre si, que possuem os mesmos tipos de redes e uma estrutura semelhante das camadas externas de elétrons, são obtidos diagramas do segundo tipo.

Existem três regiões de fase no diagrama:

1. Acima da linha liquidus ADB está a região da fase líquida G.

2. Abaixo dela, até a linha solidus ADB, existe uma região bifásica b + G. A fase b é uma solução sólida dos componentes A e B, os grãos possuem uma rede cristalina única. No entanto, para ligas de diferentes composições, o número de átomos dos componentes A e B nas células unitárias da rede é diferente.

3. A área localizada sob a linha solidus é monofásica (fase b).

Ao contrário das ligas de misturas de grãos de componentes praticamente puros, cada uma das ligas solidificadas no diagrama de fases representa um conjunto de grãos de fase que não diferem entre si externamente.

No caso do resfriamento acelerado da liga durante a cristalização, os processos de difusão não têm tempo para se completar, sendo que a parte central de cada grão é enriquecida com um componente mais refratário, e a parte periférica é enriquecida com um componente fusível (A). Esse fenômeno é chamado de segregação dendrítica, que reduz as propriedades de resistência das ligas. Sua prevenção é possível devido ao resfriamento lento da liga, que garante sua cristalização em equilíbrio.

Se ocorrer segregação dendrítica, ela é eliminada pelo recozimento por difusão prolongado da liga. Os processos de difusão que ocorrem neste caso equalizam a composição química dos grãos.

Durante a deformação plástica de um material metálico, uma força externa deve superar a resistência ao movimento das discordâncias, que é determinada pelo valor da força de Peierls-Nabarro. Essa força depende da intensidade da interação interatômica na rede cristalina da liga.

Os átomos do componente solúvel na rede da solução sólida formam uma ligação metálica mais forte com os átomos do componente solvente do que nas redes de ambos os componentes puros. Por causa disso, a resistência à deformação plástica de uma solução sólida com o aumento do conteúdo de outro componente dissolvido nela deve aumentar de acordo com uma lei curvilínea.

8. Fusão de metais e estrutura de fundidos

A fusão é o processo físico de transição de um metal do estado sólido para o estado líquido fundido. A fusão é um processo que é o inverso da cristalização, ocorre a uma temperatura acima do equilíbrio, ou seja, durante o superaquecimento. Como o metal líquido tem mais energia interna do que o metal sólido, o calor é liberado durante a cristalização. Existe uma certa relação entre o calor Q e a temperatura de cristalização Tk. O grau de superaquecimento durante a fusão de metais não excede alguns graus.

No estado líquido, os átomos de uma substância se movem aleatoriamente devido ao movimento térmico, no líquido existem grupos de átomos de pequeno volume, dentro deles o arranjo dos átomos é semelhante ao arranjo na rede cristalina. Esses agrupamentos são instáveis, dissolvem-se e reaparecem no líquido. Quando o líquido é super-resfriado, alguns grandes grupos tornam-se estáveis e capazes de crescer. Esses grupos estáveis de átomos são chamados de centros de cristalização (núcleos). Para implementar o processo de fusão, é necessário que haja algum superaquecimento acima da temperatura de equilíbrio, ou seja, um potencial termodinâmico. Acima da temperatura de equilíbrio, um metal líquido é mais estável, possui uma reserva menor de energia livre. Abaixo desta temperatura, o metal sólido é mais estável. Na temperatura de equilíbrio, as energias livres dos estados líquido e sólido são as mesmas, portanto, nesta temperatura, ambas as fases (líquido e sólido) podem coexistir simultaneamente e, além disso, por um tempo infinitamente longo. A temperatura de equilíbrio está muito próxima do ponto de fusão Tm, com o qual é frequentemente comparada. Após o resfriamento, a transição do estado líquido para o sólido é acompanhada pela formação de uma rede cristalina, ou seja, cristalização. Para induzir a cristalização, o metal líquido deve ser super-resfriado a uma temperatura abaixo de seu ponto de fusão.

Líquidos a uma temperatura próxima ao ponto de fusão são chamados de derretimentos. Os fundidos são metálicos, iônicos, semicondutores, orgânicos e de alto polímero. Dependendo de quais compostos químicos formam derretimentos, salina, óxido, óxido-silicato e outros derretimentos são isolados.

A maioria dos derretimentos contém partículas assimétricas.

No processo de fusão, as ligações químicas nos derretimentos sofrem modificações. Nos semicondutores, observa-se a formação de condutividade metálica; em alguns haletos, em vez de condutividade iônica, ocorre uma diminuição na condutividade elétrica devido à formação de um fundido com composição molecular. O nível de temperatura também afeta o tipo de ligação em fundidos.

O número de coordenação médio e as distâncias interatômicas também são características dos fundidos. No processo de fusão de metais, o número de coordenação diminui em cerca de 10-15%. Ao mesmo tempo, as distâncias interatômicas permanecem as mesmas. Quando os semicondutores são fundidos, seu número de coordenação aumenta por um fator de 1,5 e a distância entre os átomos também aumenta. Os fundidos multicomponentes são caracterizados por estados de não equilíbrio, metaestáveis, que estão relacionados com a estrutura das fases sólidas iniciais.

Em muitos casos, há um atraso (histerese) nas propriedades dos derretimentos no processo de mudança de temperatura. As propriedades e estruturas dos fundidos são influenciadas pelos seguintes fatores: temperatura, tempo de retenção, taxa de flutuação de temperatura, material do qual o recipiente é feito e presença de impurezas.

A composição dos fundidos distingue-se pela sua complexidade. Os fundidos iônicos podem conter íons simples ou complexos, moléculas não dissociadas e poliméricas, bem como volumes livres. Os fundidos de silicato podem conter tetraedros de silício-oxigênio isolados e as cadeias, anéis, redes e estruturas que eles formam.

Um modelo inequívoco da estrutura dos fundidos é bastante difícil de formar, pois os fundidos contêm diferentes tipos de partículas e ligações. A principal função dos modelos é a definição e interpretação das propriedades dos fundidos, bem como o cálculo das propriedades.

Os fundidos na área metalúrgica são divididos em intermediários, subprodutos e produtos finais. Usando fundidos como eletrólitos, metais são produzidos e refinados em metalurgia, assim como revestimentos são aplicados. Muitas ligas se formam como fundidos. Monocristais e filmes epitaxiais são cultivados a partir de derretimentos. É costume usar metais fundidos, sal e óxidos como catalisadores. Os sais fundidos são usados em banhos de recozimento e endurecimento, células de combustível de alta temperatura, como transportadores de calor, fluxos no processo de soldagem e soldagem de metais, meios de reação em sínteses inorgânicas e orgânicas, bem como absorvedores, extratantes, etc. usado para obter silicato, flúor e outras pilhas especiais e metais amorfos.

9. Cristalização de metais; nucleação de cristais, germe crítico; nucleação homogênea e heterogênea de cristais; crescimento de cristal. Curvas Tamman

A cristalização é o processo de transição de um metal do estado líquido para o sólido com a formação de uma estrutura cristalina. Na natureza, todas as transformações espontâneas, cristalização e fusão, devem-se ao fato de que o novo estado sob novas condições é energeticamente mais estável e possui uma reserva de energia menor.

A transição de um metal de um estado líquido ou de vapor para um estado sólido com a formação de uma estrutura cristalina é chamada de cristalização primária. A formação de novos cristais em uma substância cristalina sólida é chamada de cristalização secundária. O processo de cristalização consiste em dois processos simultâneos de nucleação e crescimento de cristais. Os cristais podem nuclear espontaneamente - cristalização espontânea ou crescer em centros de cristalização já existentes - cristalização não espontânea.

Você pode rastrear o processo de cristalização do metal usando um contador de tempo e um pirômetro termoelétrico. Dois fios diferentes, soldados nas pontas, são imersos em metal fundido e a corrente térmica resultante é proporcional à temperatura do metal, e a agulha do milivoltímetro se desvia, indica a temperatura em uma escala especialmente graduada. As leituras do pirômetro são registradas no tempo e, de acordo com os dados obtidos, curvas de resfriamento são construídas nas coordenadas temperatura-tempo. O ponto crítico é a temperatura que corresponde a qualquer transformação no metal.

Após o resfriamento, a transição do estado líquido para o sólido é acompanhada pela formação de uma rede cristalina, ou seja, cristalização. Para induzir a cristalização, o metal líquido deve ser super-resfriado a uma temperatura abaixo de seu ponto de fusão. Durante a solidificação e durante a transformação alotrópica no metal, os primeiros centros de cristalização são formados, em torno dos quais os átomos são agrupados, formando a rede cristalina correspondente. O processo de cristalização consiste em duas etapas: a formação dos centros de cristalização e o crescimento dos cristais. Em cada um dos cristais emergentes, os planos cristalográficos são orientados aleatoriamente, além disso, durante a cristalização primária, os cristais podem girar, pois estão cercados por líquido. Cristais adjacentes crescem um em direção ao outro e seus pontos de colisão definem os limites dos cristalitos (grãos).

Substâncias amorfas têm curvas de resfriamento suaves, sem áreas e saliências: é claro que essas substâncias não podem ter alotropia. O mecanismo de cristalização do metal é que com uma diminuição correspondente da temperatura dentro do cadinho com metal líquido, pequenos cristais começam a se formar, chamados centros de cristalização ou núcleos.

Para iniciar o crescimento de cristais metálicos líquidos, é necessário que a energia livre do metal

diminuiu. Se, como resultado da formação de um núcleo, a energia livre do metal aumenta, o núcleo se dissolve. O tamanho mínimo de um germe capaz de crescer é chamado de tamanho crítico do germe, e esse germe é chamado de estável.

Quanto maior o grau de super-resfriamento, que diminui a energia livre do metal, menor o tamanho crítico do núcleo.

Os cristais começam a crescer ao redor dos centros formados. À medida que os cristais crescem no metal, que ainda está no estado líquido, novos centros de cristalização continuam a aparecer. Cada um dos novos cristais em crescimento é orientado aleatoriamente no espaço.

Cristais de formato irregular são chamados de grãos ou cristais. Sólidos, incluindo metais, consistindo em um grande número de grãos, são chamados de policristalinos.

D.V. Chernov estabeleceu que o processo de cristalização consiste em dois processos elementares: a nucleação dos centros de cristalização e o crescimento dos cristais desses centros. Muito mais tarde, Tamman, estudando o processo de cristalização, estabeleceu a dependência do número de centros de cristalização e a taxa de crescimento do cristal no grau de super-resfriamento.

Enquanto os cristais formados crescem livremente, eles têm uma forma geométrica mais ou menos regular. No entanto, quando os cristais em crescimento colidem, sua forma regular é violada, pois o crescimento das faces é interrompido nessas áreas. O crescimento continua naquelas direções onde há livre acesso ao fluido de "alimentação". Como resultado, os cristais em crescimento, que a princípio têm uma forma geometricamente regular, após a solidificação, adquirem uma forma externa irregular e são, portanto, chamados de cristalitos ou grãos.

O crescimento dos núcleos ocorre como resultado da transição dos átomos de um líquido super-resfriado para cristais. O cristal cresce em camadas, cada camada tem uma espessura de um átomo. Existem dois processos elementares de crescimento de cristal.

Formação de um embrião bidimensional.

Crescimento de um núcleo bidimensional pelo fornecimento de átomos de um líquido super-resfriado. Após a formação de um núcleo bidimensional em uma face plana, o crescimento de uma nova camada ocorre com relativa facilidade, pois aparecem regiões convenientes para fixar átomos que passam do líquido.

10. Estrutura do lingote e ligas amorfas

A estrutura de um lingote de aço foi dada pela primeira vez em 1878 por D.K. Chernov. A estrutura do lingote fundido consiste em três zonas principais. A primeira zona é a crosta externa de grão fino, que consiste em pequenos cristais desorientados - dendritos.

A segunda zona de lingotes é a zona de cristais colunares. Após a formação da própria crosta, as condições para remoção de calor

mudança, o gradiente de temperatura diminui e o grau de super-resfriamento do aço diminui. A terceira zona do lingote é a zona de cristais equiaxiais.

Os cristais que se formam durante a solidificação do metal têm uma forma diferente dependendo da taxa de resfriamento, da natureza e da quantidade de impurezas. Mais frequentemente, durante o processo de cristalização, são formados cristais ramificados (semelhantes a árvores), que são chamados de dendritos por causa de sua forma, que se assemelha à forma de uma árvore. Esta forma de cristais é explicada pelo fato de que os núcleos que surgiram no metal líquido crescem na direção com uma distância mínima entre os átomos. Assim se formam os eixos de primeira ordem. Simultaneamente ao alongamento dos eixos de primeira ordem, nascem e crescem eixos de segunda ordem em suas bordas perpendiculares a eles em certos ângulos, a partir dos quais já crescem eixos de terceira ordem e, finalmente, formam-se cristais na forma de dendritos. A estrutura dendrítica é revelada após a gravação especial de seções finas, uma vez que todas as lacunas entre os ramos dos dendritos são preenchidas e, geralmente, apenas as junções dos dendritos são visíveis na forma de contornos de grão. A forma correta dos dendritos é distorcida como resultado da colisão e acréscimo de partículas nos estágios posteriores do processo. A estrutura dendrítica é característica da macro e microestrutura do metal fundido (liga).

Em contato com a parede fria do molde, forma-se uma zona de pequenos cristais equiaxiais. O volume do metal sólido é menor que o líquido, portanto, surge um espaço de ar entre a parede do molde e o metal solidificado; a própria parede aquece com o contato com o metal. Com isso, a taxa de resfriamento do metal diminui, o crescimento dos cristais adquire um caráter direcional - eles crescem da parede do molde para o centro na direção da remoção de calor e forma-se uma zona de cristais colunares. Esse fenômeno, por assim dizer, de germinação por longos cristais da espessura do lingote é chamado de transcristalização. A zona resultante retarda a transferência de calor para o exterior, a taxa de resfriamento diminui e uma zona de grandes cristais não orientados é formada. O metal líquido contém certa quantidade de gases dissolvidos, portanto, no volume do lingote, quando ele é resfriado, para metais com tendência ao superresfriamento, apenas ramos ascendentes das curvas para o número de centros de cristalização e crescimento do cristal taxa são encontrados.

O tamanho dos grãos formados durante a cristalização depende não apenas do número de centros de cristalização gerados espontaneamente, mas também do número de partículas de impurezas insolúveis que estão sempre presentes no metal líquido, que desempenham o papel de centros de cristalização prontos. Tais partículas podem ser óxidos, nitretos, sulfetos. Os centros de cristalização em um metal ou liga podem ser partículas sólidas que têm uma pequena diferença no tamanho dos átomos com os átomos do metal base, sua rede cristalina deve estar próxima em estrutura e parâmetros à rede do metal cristalizante. As paredes dos moldes e outras formas onde ocorre a cristalização do metal líquido apresentam irregularidades e rugosidades. Essas irregularidades afetam o processo de cristalização aumentando a taxa de cristalização. Se o aço não estiver suficientemente desoxidado (o chamado aço em ebulição), bolhas de gás se formarão em todo o volume do lingote.

Se o aço estiver bem desoxidado (aço calmo), ele é fundido em moldes com uma extensão lucrativa isolada. Neste local, as últimas porções do metal líquido irão cristalizar. É aqui que os gases se acumulam. Isso cria um grande vazio, chamado de cavidade de contração. Perto da cavidade de contração, o metal será menos denso, solto. Portanto, após a laminação de lingotes de aço calmo, a parte superior (rentável) do lingote (cerca de 15-20% do comprimento do lingote) é cortada. Durante a laminação, a forma dos cristais primários do metal fundido muda. Os dendritos são deformados, esticados ao longo da direção do fluxo do metal e se transformam em fibras. As juntas dos cristais têm uma resistência menor, portanto, ao longo das fibras, o aço deformado possui maior resistência e tenacidade do que transversalmente.

As ligas amorfas são muitas vezes frágeis em tração, mas relativamente dúcteis em flexão e compressão, e podem ser submetidas a laminação a frio. As ligas amorfas magnéticas macias vêm em três grupos.

1. Com base em ferro (Fe₈₁Si_{3 5}B_{13 5}C₂) com altos valores de indução magnética e baixa força coercitiva.

2. Com base em cobalto (CO₆₆Fe₄(Mo, Si, B)₃₀tendo uma indução de saturação relativamente baixa, mas altas propriedades mecânicas, baixa força coercitiva e alta permeabilidade magnética.

3. Ligas de ferro-níquel (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆) com indução magnética média e menor força coercitiva do que as ligas de ferro.

As ligas amorfas magnéticas macias são usadas na engenharia elétrica e na indústria eletrônica.

11. Modificação de metais. Testes padrão para tração, compressão, flexão, dureza, resistência ao impacto

Modificadores podem ser adicionados ao metal líquido para obter a estrutura desejada do metal em peças fundidas. Este é o processo de modificação.

De acordo com o mecanismo de influência no processo de cristalização, os modificadores podem ser divididos em dois grupos:

1) modificadores, que são centros adicionais de cristalização;

2) modificadores - tensoativos. Esses modificadores se dissolvem no metal líquido. O processo de cristalização depende dos centros de cristalização disponíveis. Esses centros são partículas de inclusões não metálicas refratárias, óxidos, compostos intermetálicos formados por impurezas.

No início do processo de cristalização, os centros estão no metal líquido e têm a forma de inclusões sólidas. Durante a cristalização, os átomos de metal são depositados na superfície da impureza ativada. Essa cristalização é chamada de heterogênea, na qual as paredes do molde desempenham o papel de núcleos.

Após a solidificação, a presença de centros de cristalização prontos leva a uma diminuição no tamanho dos cristais. O efeito do refinamento da estrutura aumenta quando se observa a correspondência estrutural e de tamanho da fase impureza com o metal base, o que contribui para a conjugação de suas redes cristalinas.

O metal líquido contém impurezas dissolvidas que causam refinamento da estrutura. Ao serem adsorvidos, reduzem a tensão superficial na interface líquido-sólido e a taxa de crescimento linear dos cristais.

O refinamento da estrutura contribui para a melhoria das propriedades mecânicas do metal. Para refinar a estrutura das ligas, é utilizada uma operação tecnológica - modificação. Esta operação consiste em introduzir aditivos especiais - modificadores na liga líquida antes do vazamento. Para isso, são utilizados surfactantes, bem como elementos formadores de partículas finas refratárias. Modificadores são adicionados às ligas.

Um aumento na temperatura do metal líquido antes do vazamento leva ao engrossamento do grão durante a cristalização e, inversamente, ocorre uma diminuição no tamanho do grão como resultado do resfriamento do metal. O resfriamento é eficaz na presença de modificadores que formam fases juntamente com correspondência estrutural e dimensional com o metal base.

Testes padrão

O teste de tração estático é um método de teste mecânico de metais. Para testes estáticos, são feitas amostras redondas do metal testado ou amostras planas para materiais em folha. As amostras consistem em uma peça de trabalho e cabeças, que são projetadas para serem fixadas nas garras de uma máquina de teste de tração. Os tamanhos das amostras são padronizados. Quando esticado, o espécime se alonga. Algumas ligas metálicas têm um coeficiente de expansão linear próximo de zero (usado para a fabricação de instrumentos de precisão, tubos de rádio).

Uma amostra redonda ou plana de tamanhos padrão é instalada nos grampos da máquina de teste de tração e, aumentando a carga, a mudança em seu comprimento é monitorada. O dispositivo de escrita da máquina registra o diagrama de estiramento, que determina as propriedades mecânicas.

Dureza - a propriedade de um material de resistir à deformação por contato, a capacidade de um material de resistir à penetração em sua superfície de um corpo sólido - um penetrador. Indentador - ponta diamantada em forma de cone. O teste de dureza é o tipo mais acessível de teste mecânico.

Os testes de dureza são realizados rapidamente e não requerem amostras complexas; eles permitem julgar outras propriedades mecânicas dos metais (por exemplo, resistência à tração). Métodos de recuo de ponta dura são comuns.

Determinação da dureza pelo método Rockwell. Um cone de aço ou diamante com um ângulo de 120° ou uma esfera de aço temperado com diâmetro de 1,59 mm é pressionado na superfície do corpo de prova e a dureza do material é estimada a partir da profundidade de penetração na superfície.

Três escalas são aplicadas no durômetro Rockwell: A (preto) - o teste é realizado com um cone de diamante, a dureza é indicada por HRA; B (vermelho) - o teste é realizado com uma bola, a dureza é indicada por H13B; C (preto) - o teste é realizado com um cone de aço, a dureza é indicada por HRC.

Determinação da dureza pelo método de Vickers. Uma pirâmide de diamante tetraédrica é pressionada na superfície da amostra e a dureza é determinada ao longo da diagonal da impressão.

O método Vickers permite medir a dureza de metais macios e duros e ligas e a dureza de camadas superficiais finas.

Os testes de impacto medem a capacidade de um metal de resistir às cargas de impacto às quais as peças da máquina são submetidas durante a operação.

Os testes de impacto são realizados em amostras de formato padrão em instrumentos chamados testadores de impacto de pêndulo.

Resistência ao impacto - o trabalho gasto na fratura por impacto da amostra e relacionado à sua área de seção transversal no entalhe. O teste de impacto é realizado para avaliar a propensão dos materiais à fratura frágil.

A flexão é uma maneira mais suave de carregamento do que a tensão. Materiais com baixo teor de plástico são testados para flexão. Os testes são realizados em amostras de grande comprimento, forma cilíndrica ou retangular. Eles são instalados em dois suportes. As características determinadas são resistência à tração e deflexão.

12. Transformações de fase no estado sólido

Uma fase é uma parte homogênea do sistema, que é separada de outra parte do sistema (fase) por uma interface, ao passar pela qual a composição química ou estrutura muda abruptamente.

Durante a cristalização de um metal puro, existem duas fases no sistema: líquida (metal fundido) e sólida (grãos de metal solidificado). Em ligas duras, as fases podem ser grãos de metal puro, grãos de solução sólida e grãos de compostos químicos. Muitos metais no estado líquido se dissolvem em qualquer proporção. Como resultado da dissolução, uma solução líquida homogênea é formada com uma distribuição uniforme de átomos de um metal entre os átomos de outro metal. Devido a essa interação, na prática, para distribuir uniformemente as substâncias na liga, elas recorrem à sua fusão. Alguns metais, que diferem muito no tamanho dos átomos, não se dissolvem no estado líquido, enquanto outros metais se dissolvem no estado líquido de forma limitada. Na formação de ligas durante sua solidificação, várias interações dos componentes são possíveis.

Se no processo de cristalização a força de interação entre átomos homogêneos for maior que a força de interação entre átomos heterogêneos, após a cristalização, uma mistura mecânica é formada, consistindo de grãos de metais puros. Neste caso, grãos de um metal puro e próximos a eles grãos de outro metal puro estarão presentes na liga dura. Essa forma de interação ocorre quando há uma grande diferença nas propriedades dos metais incluídos na liga.

Outra forma de interação entre as substâncias que compõem a liga é a formação de soluções sólidas.

Soluções sólidas são fases sólidas nas quais as proporções entre os componentes podem mudar. Em uma solução sólida, assim como nos metais puros, os átomos no espaço são arranjados regularmente e formam uma rede cristalina. Isso é o que os distingue das soluções líquidas. Em uma solução sólida, uma das substâncias que compõem a liga retém sua rede cristalina, e a segunda substância, que perdeu sua estrutura cristalina, é distribuída na forma de átomos individuais na rede cristalina da primeira. A primeira substância é um solvente e a segunda é solúvel. Dependendo da natureza da distribuição dos átomos de um elemento solúvel, distinguem-se soluções sólidas de intersticial, substituição e subtração; independentemente do tipo de solução sólida, eles têm em comum o fato de serem monofásicos e existirem em uma faixa de concentrações. As soluções sólidas são caracterizadas por um tipo de ligação metálica.

Alguns metalóides - hidrogênio, nitrogênio, carbono, boro, que formam soluções sólidas intersticiais com metais - têm os menores tamanhos atômicos. Mas mesmo para esses elementos, o tamanho dos átomos excede um pouco 12b o tamanho das lacunas interatômicas na rede cristalina dos metais; portanto, quando soluções sólidas intersticiais são formadas, a rede é distorcida e surgem tensões nela. Nesse caso, a concentração da solução sólida intersticial não pode ser alta. Raramente excede 1-2%. Nas soluções sólidas substitucionais, os átomos do elemento solúvel tomam o lugar dos átomos do metal base. Átomos estranhos podem substituir os átomos do solvente em qualquer lugar, então tais soluções são chamadas de soluções sólidas desordenadas. Os tamanhos dos átomos de um elemento solúvel sempre diferem dos tamanhos do átomo do solvente (são maiores ou menores), portanto, quando uma solução sólida substitucional é formada, a rede cristalina do metal solvente é distorcida sem perder sua estrutura básica . As soluções sólidas de substituição podem ser limitadas e ilimitadas. Uma das condições para solubilidade ilimitada é o fator de tamanho. Quanto maior a diferença nos raios atômicos, menor a solubilidade.

Com a diminuição da temperatura nas soluções sólidas substitucionais, ocorre um processo de redistribuição dos átomos, pelo que os átomos do elemento dissolvido ocuparão lugares estritamente definidos na rede do solvente. Essas soluções sólidas são chamadas de soluções sólidas ordenadas e sua estrutura é chamada de superestrutura.

Alguns elementos modificam sua estrutura cristalina dependendo de mudanças nas condições externas - temperatura e pressão. No estado sólido, o lítio e o molibdênio têm uma rede cúbica de corpo centrado; alumínio, prata, ouro, platina - face centrada e magnésio, zircônio - hexagonal. Quando a temperatura muda, pode acontecer que, para o mesmo metal, uma rede diferente seja mais estável do que aquela que estava em uma temperatura diferente. Esse fenômeno é chamado de polimorfismo. Cada tipo de rede representa uma modificação ou modificação alotrópica. Nas transformações polimórficas de metais, a temperatura é de importância primordial. A transformação de uma forma alotrópica em outra ocorre a uma temperatura constante, denominada temperatura de transformação polimórfica, e é acompanhada por um efeito térmico, semelhante aos fenômenos de fusão-solidificação ou evaporação-condensação. Isso se deve à necessidade de gastar uma certa quantidade de energia no rearranjo da rede cristalina.

13. Deformação elástica e plástica de metais

A deformação é uma mudança na forma e tamanho do corpo, a deformação pode ser causada pela influência de forças externas, bem como outros processos físicos e mecânicos que ocorrem no corpo. As deformações incluem fenômenos como cisalhamento, compressão, tração, flexão e torção.

A deformação elástica é uma deformação que desaparece após a remoção da carga. A deformação elástica não causa alterações residuais nas propriedades e na estrutura do metal; sob a ação da carga aplicada, ocorre um deslocamento reversível insignificante de átomos.

Quando um único cristal é esticado, as distâncias entre os átomos aumentam e, quando comprimidos, os átomos se aproximam. Quando os átomos são deslocados da posição de equilíbrio, o equilíbrio das forças de atração e repulsão eletrostática é perturbado. Após a remoção da carga, os átomos deslocados, devido à ação de forças atrativas ou repulsivas, retornam ao seu estado de equilíbrio original e os cristais adquirem suas dimensões e formas originais.

A deformação pode ser elástica, desaparecendo após a remoção da carga, e plástica, permanecendo após a remoção da carga.

A menor tensão causa deformação, e as deformações iniciais são sempre elásticas e sua magnitude é diretamente dependente da tensão. As principais propriedades mecânicas são resistência, plasticidade, elasticidade.

A plasticidade é importante, determina a possibilidade de fabricação de produtos por vários métodos de tratamento por pressão. Esses métodos são baseados na deformação plástica do metal.

Materiais com maior plasticidade são menos sensíveis aos concentradores de tensão. Para isso, é realizada uma avaliação comparativa de diversos metais e ligas, bem como seu controle de qualidade na fabricação dos produtos.

A natureza física da deformação dos metais

Sob a ação de tensões, ocorre uma mudança na forma e no tamanho do corpo. Os estresses surgem quando forças externas de tensão, compressão agem sobre o corpo, bem como como resultado de transformações de fase e alguns outros processos físico-químicos que estão associados a uma mudança de volume. Um metal que está em estado de tensão, sob qualquer tipo de tensão, sempre sofre tensões normais e tangenciais, a deformação sob a ação de tensões pode ser elástica e plástica. O plástico ocorre sob a ação de tensões de cisalhamento.

Elástico - esta é uma deformação que, após o término da ação que causou o estresse, desaparece completamente. Durante a deformação elástica, há uma mudança nas distâncias entre os átomos na rede cristalina do metal.

Com o aumento das distâncias interatômicas, as forças de atração mútua dos átomos aumentam. Quando a tensão é removida sob a ação dessas forças, os átomos retornam à sua posição original. A distorção da treliça desaparece, o corpo restaura completamente sua forma e tamanho. Se as tensões normais atingirem o valor das forças de ligação interatômica, a fratura frágil ocorrerá por separação. A deformação elástica é causada por pequenas tensões tangenciais.

A deformação plástica é a deformação que permanece após o término da ação das tensões que a causaram. Durante a deformação plástica na rede cristalina de um metal, sob a ação de tensões tangenciais, ocorre um deslocamento irreversível de átomos. Em baixas tensões, os átomos são levemente deslocados e, após a remoção da tensão, eles retornam à sua posição original. Com o aumento da tensão de cisalhamento, observa-se um deslocamento irreversível dos átomos pelo parâmetro de rede, ou seja, ocorre deformação plástica.

Com um aumento das tensões de cisalhamento acima de um certo valor, a deformação torna-se irreversível. Quando a carga é removida, o componente elástico da deformação é eliminado. Parte da deformação, que é chamada de plástica, permanece.

Durante a deformação plástica, a estrutura do metal e suas propriedades mudam irreversivelmente. A deformação plástica é realizada por deslizamento e geminação.

O deslizamento na rede cristalina ocorre ao longo de planos e direções com denso empacotamento de átomos, onde a resistência ao cisalhamento é a mais baixa. Isso se explica pelo fato de que a distância entre os planos atômicos adjacentes é a maior, ou seja, a conexão entre eles é a menor. Os planos de escorregamento e as direções de escorregamento situadas nesses planos formam um sistema de escorregamento. Em metais, um ou vários sistemas de deslizamento podem atuar simultaneamente.

Metais com uma rede cristalina cúbica (fcc e bcc) têm alta plasticidade, o deslizamento neles ocorre em várias direções.

O processo de deslizamento não deve ser representado como o movimento simultâneo de uma parte do cristal em relação a outra, ele é realizado como resultado do movimento de discordâncias no cristal. O deslocamento de uma discordância no plano de deslizamento do MM através do cristal leva a um deslocamento da parte correspondente do cristal por uma distância interplanar, e um degrau é formado no lado direito da superfície do cristal.

14. Tipos de fratura: conceitos de fratura dúctil e frágil

A fadiga é a destruição de metais sob a ação de cargas repetidas. Ocorre nas nascentes da automação. A maioria das falhas de peças são causadas por fadiga do material. A falha por fadiga se desenvolve em peças que operam com tensões menores que a resistência ao escoamento do material.

A deformação elástico-plástica, quando são atingidas tensões suficientemente altas, pode resultar na destruição do corpo. O processo de destruição consiste em várias etapas: o início das microfissuras, a formação de macrofissuras e a propagação de uma macrofissura por toda a seção do corpo.

Em geral, é feita uma distinção entre fraturas dúcteis e frágeis. O tipo de destruição depende de muitos fatores: a composição do metal, seu estado estrutural, condições de carga e temperatura. O tipo de fratura, dúctil ou frágil, é determinado pelo estudo das fraturas. A fratura frágil é caracterizada por uma fratura de riacho. A fratura dúctil ocorre por cisalhamento sob a ação de tensões de cisalhamento e é acompanhada por uma deformação plástica significativa. A fratura dúctil é caracterizada por uma fratura fibrosa (fosca) de uma peça ou amostra. A fratura frágil ocorre sob a ação de tensões normais de tração, causando a separação de uma parte do corpo de outra sem traços perceptíveis de deformação macroplástica.

A fratura frágil é caracterizada por uma fratura cristalina (brilhante). A fratura frágil é precedida por deformação plástica até que uma trinca de tamanho crítico seja atingida e então por fratura sem deslocamento frágil. A fratura frágil é um processo espontâneo.

A ocorrência de microfissuras em fraturas dúcteis e frágeis se dá pelo acúmulo de discordâncias frente aos contornos de grão ou outros obstáculos (inclusões não metálicas, partículas de carboneto, contornos interfásicos), o que leva à concentração de tensões. Ao analisar a microestrutura, distinguem-se as destruições transcristalina (ao longo do corpo do grão) e intercristalina (ao longo dos contornos do grão). A destruição do metal nas condições operacionais de estruturas e máquinas pode ser não apenas dúctil ou frágil, mas também mista - dúctil-frágil.

Os materiais são destruídos de forma diferente em casos de fadiga e sob cargas únicas. A fratura é caracterizada pela ausência de sinais externos de deformação plástica em uma fratura, ou seja, em geral, uma fratura por fadiga tem o caráter de uma fratura frágil. No entanto, em microvolumes e camadas finas da seção transversal de uma amostra carregada, podem ocorrer deformações plásticas que levam ao início de trincas. Essas fissuras, gradualmente se desenvolvendo e se propagando, levam à destruição final do material. No caso do carregamento de fadiga, o início da deformação plástica causada pelo movimento das discordâncias pode ocorrer em tensões abaixo do limite de escoamento. Com o aumento do número de ciclos de carregamento, a densidade de discordâncias aumenta, em primeiro lugar, nas camadas superficiais. Linhas de deslizamento finas na superfície se transformam em listras características, cujo perfil é apresentado na forma de saliências e depressões. A profundidade das cavidades, dependendo do tempo de teste, pode chegar a 10-30 µm. Quando bandas de deslizamento estáveis são formadas, regiões com alta e baixa densidade de discordância se alternam.

As fissuras de fadiga originam-se em depressões superficiais. Um dos possíveis mecanismos para a formação de saliências e cavidades está associado ao movimento circular das discordâncias dos parafusos. Um deslocamento de parafuso se move de um plano para outro ao longo de um contorno fechado com a ajuda de deslizamento transversal. Como resultado, o deslocamento atinge a superfície, na qual são formadas saliências e depressões.

As microfissuras sob carga cíclica são nucleadas na fase inicial do teste devido ao influxo de vacâncias e posterior formação e coalescência de microporos. Um grande número de microfissuras pode se formar na amostra. Mas, no futuro, nem todas as microfissuras se desenvolvem, mas apenas aquelas que têm os picos mais agudos e estão localizadas mais favoravelmente em relação às tensões atuantes. A fissura mais longa, aguda e profunda, que se propaga ao longo da seção transversal da amostra, leva à destruição final da amostra: a presença de uma zona de fissura crescente progressivamente e uma zona de fratura final é típica para a fratura por fadiga da amostra. Na zona de uma fissura que cresce progressivamente, são observadas listras na forma de linhas curvas. As bandas são formadas como resultado de solavancos e atrasos no movimento de uma fissura devido ao endurecimento do metal em sua base e expansão de sua frente. O processo de destruição sob cargas cíclicas é significativamente afetado pelos concentradores de tensão. Os concentradores de tensão podem ser construtivos (transições acentuadas de seção para seção), tecnológicos (arranhões, rachaduras, riscos do cortador), metalúrgicos (poros, cascas). Independentemente de sua origem, os concentradores de tensão reduzem até certo ponto o limite de resistência no mesmo nível de tensões alternadas. Para avaliar o efeito de um concentrador de tensão na fadiga, amostras lisas e entalhadas são testadas sob um ciclo de tensão simétrico. A incisão na amostra é feita na forma de um rebaixo circular afiado.

15. Propriedades elétricas de materiais condutores

Metais puros e ligas metálicas são usados como materiais condutores. Os metais puros têm a maior condutividade, com exceção do mercúrio. Enrolamento, instalação, instalação de cabos e fios são feitos de cobre e alumínio. O alumínio pertence ao grupo dos metais leves. Sua densidade é de 2,7 g/cm3. Disponibilidade, alta condutividade e resistência à corrosão atmosférica permitiram que o alumínio fosse amplamente utilizado na engenharia elétrica. As desvantagens do alumínio são a baixa resistência à tração mecânica e maior maciez, mesmo em alumínio estirado. O alumínio é um metal prateado ou branco prateado. Seu ponto de fusão é 658-660 °C.

Os fios de alumínio desencapados podem funcionar por muito tempo devido ao fato de o alumínio ser coberto com uma fina película de óxido em pouco tempo. Isso serve como proteção contra o oxigênio.

O filme de óxido nos fios de alumínio tem uma resistência elétrica significativa e, portanto, grandes resistências transitórias são formadas nas junções dos fios de alumínio. As juntas são limpas com vaselina para evitar o efeito do oxigênio no alumínio.

Ao molhar as junções de fios de alumínio com outros fios de outros metais (cobre, ferro) obtidos mecanicamente (conexões aparafusadas), os pares galvânicos são formados com uma certa força eletromotriz. Neste caso, o fio de alumínio sob a influência da corrente local será destruído.

Para evitar a formação de vapores galvânicos em uma atmosfera úmida, as junções com outros fios feitos de outros metais devem ser cuidadosamente protegidas da umidade por envernizamento e outros métodos.

Óxidos de nitrogênio (NO), cloro (Cl), dióxido de enxofre (SCy, ácidos clorídrico e sulfúrico e outros agentes) causam corrosão direta do alumínio. soldagem a frio ou a quente. Quanto maior a pureza química do alumínio, melhor ele resiste à corrosão. Portanto, os graus mais puros de alumínio com um teor de metal puro de 99,5% são usados para a fabricação de eletrodos em capacitores elétricos, para a fabricação de alumínio folha e fios de enrolamento de pequenos diâmetros de 0,05-0,08 mm Alumínio condutor é usado, contendo pelo menos 99,7% de metal puro. O alumínio é usado para a fabricação de fios

com um teor de metal puro de pelo menos 99,5%. O fio de alumínio é produzido por trefilação e laminação. Existem três tipos de fio de alumínio: AM (recozido macio), APT (semi-duro) e AT (não recozido duro). O fio é produzido com um diâmetro de 0,08 a 10 mm.

Os semicondutores compõem uma vasta área de materiais que diferem entre si em uma ampla variedade de propriedades elétricas e físicas, bem como em uma grande variedade de composição química, o que determina diversas finalidades em seu uso técnico. De acordo com sua natureza química, os semicondutores podem ser divididos nos quatro grupos principais a seguir.

1. Materiais semicondutores cristalinos construídos a partir de átomos e moléculas de um elemento.

2. Materiais semicondutores cristalinos de óxido, ou seja, materiais de óxidos metálicos.

3. Materiais semicondutores cristalinos baseados em compostos de átomos do terceiro e quinto grupos do sistema de elementos da tabela periódica.

4. Materiais semicondutores cristalinos baseados em compostos de enxofre, selênio, cobre, chumbo - eles são chamados de sulfetos, selenetos.

O carboneto de silício pertence ao primeiro grupo de materiais semicondutores e é o material monocristalino mais comum. Este material semicondutor é uma mistura de muitos cristais pequenos, soldados aleatoriamente entre si. O carboneto de silício é formado em alta temperatura quando grafite e silício são combinados. É usado em fotocélulas, diodos.

A possibilidade de aumentar a temperatura de operação do isolamento é muito importante para a prática. Nas máquinas e aparelhos elétricos, o aumento do aquecimento, normalmente limitado precisamente pelos materiais de isolamento elétrico, permite obter mais potência com as mesmas dimensões ou, mantendo a potência, reduzir o tamanho e o custo do produto.

O GOST prevê a divisão de materiais elétricos isolantes para máquinas, transformadores e aparelhos elétricos em classes de resistência ao calor, para as quais as temperaturas operacionais mais altas permitidas são fixadas quando esses materiais são usados em equipamentos elétricos de uso geral que operam por um longo tempo em condições normais de operação condições para este tipo de equipamento elétrico.

Nessas temperaturas, a vida útil razoável do equipamento elétrico é garantida.

A classe Y inclui materiais fibrosos à base de celulose e seda (fios, tecidos, fitas, papéis, papelões, madeira, etc.), a menos que sejam impregnados e imersos em uma camada isolante elétrica líquida.

16. Métodos para determinar propriedades elétricas

Metais com alta condutividade elétrica (cobre, alumínio) são utilizados em engenharia elétrica, para a instalação de linhas de energia, e ligas com alta resistência elétrica - para aquecedores elétricos incandescentes.

Propriedades térmicas dos dielétricos: resistência ao calor, resistência ao frio, condutividade térmica, expansão térmica.

Resistência ao calor - a capacidade de materiais e produtos de isolamento elétrico sem prejudicá-los por algum tempo para resistir à exposição a altas temperaturas. A resistência ao calor dos dielétricos inorgânicos é determinada pelo início de uma mudança significativa nas propriedades elétricas. E a resistência ao calor dos dielétricos orgânicos é determinada pelo início das deformações mecânicas de tração ou flexão, a imersão da agulha no material sob pressão quando aquecida e pelas características elétricas.

O envelhecimento térmico do isolamento é uma deterioração da qualidade do isolamento, determinada pela exposição prolongada a temperaturas elevadas.

A taxa de envelhecimento é afetada pela temperatura na qual o isolamento de máquinas elétricas e outras estruturas isolantes elétricas opera.

A taxa de envelhecimento também é influenciada por mudanças na pressão do ar ou concentração de oxigênio, a presença de ozônio, reagentes químicos que retardam ou aceleram o envelhecimento. O envelhecimento térmico é acelerado pela exposição aos raios ultravioleta, pela exposição a um campo elétrico, estresse mecânico.

GOST prevê a divisão de materiais isolantes elétricos para máquinas elétricas, transformadores e aparelhos em classes de resistência ao calor. Em temperaturas aceitáveis, a vida útil razoável do equipamento elétrico é garantida.

Classe Y: Materiais fibrosos à base de celulose e seda não impregnados ou imersos em uma camada isolante elétrica líquida.

Classe A: materiais orgânicos fibrosos trabalhando com vernizes impregnados e imersos em material isolante elétrico líquido, ou seja, protegidos do oxigênio atmosférico.

Classe E: plásticos com carga orgânica e ligante termoendurecível como fenol-formaldeído e resinas similares, isolamento de fios esmaltados em poliuretano e vernizes epóxi. As classes Y, A, E incluem materiais isolantes elétricos puramente orgânicos.

A rigidez dielétrica é determinada pela tensão de ruptura relacionada à corrente dielétrica no local de ruptura.

A quebra de dielétricos líquidos ocorre como resultado de processos térmicos de ionização.

O principal fator de degradação é a presença de impurezas estranhas.

A presença de impurezas dificulta a criação de uma teoria de desagregação para essas substâncias. Portanto, as idéias da teoria da ruptura elétrica são aplicadas a líquidos que são purificados ao máximo de impurezas.

Em altas intensidades de campo elétrico, os elétrons podem ser ejetados do metal dos eletrodos e as moléculas do próprio líquido podem ser destruídas devido a impactos com partículas carregadas. Neste caso, a alta rigidez dielétrica dos dielétricos líquidos em comparação com os dielétricos gasosos é explicada pelo caminho livre médio do elétron significativamente mais curto.

A quebra de líquidos contendo inclusões de gás é explicada pelo superaquecimento local do líquido (devido à energia liberada em bolhas de gás relativamente facilmente ionizadas), o que leva à formação de um canal de gás entre os eletrodos.

A presença de água em um dielétrico líquido reduz sua rigidez dielétrica. A água à temperatura normal está contida no dielétrico na forma de minúsculas gotículas. Sob a influência de um campo elétrico, as gotículas são polarizadas e criam cadeias com maior condutividade entre os eletrodos, ao longo das quais ocorre uma ruptura elétrica.

Uma dependência peculiar da resistência elétrica de um dielétrico líquido contendo água em relação à temperatura é observada. À medida que a temperatura aumenta, a água passa para o estado de solução molecular, na qual tem pouco efeito sobre a força elétrica. A força elétrica do dielétrico líquido aumenta até um certo máximo. Uma diminuição adicional na força elétrica é explicada pelo fenômeno da ebulição do líquido.

Um aumento na resistência elétrica do óleo do transformador a baixas temperaturas está associado a um aumento na viscosidade do óleo e a valores mais baixos da constante dielétrica do gelo em comparação com a água.

Inclusões sólidas (fuligem, fibras) distorcem o campo elétrico dentro do líquido e também levam a uma diminuição na força elétrica dos líquidos dielétricos.

A purificação de dielétricos líquidos de impurezas aumenta significativamente a rigidez dielétrica. Por exemplo, o óleo de transformador não refinado tem uma força elétrica de aproximadamente 4 MV/m; após a limpeza completa, sobe para 20-25 MV / m.

A quebra dos dielétricos líquidos, assim como dos gases, é afetada pelo formato dos eletrodos: com o aumento do grau de não homogeneidade do campo elétrico, a tensão de ruptura nas mesmas distâncias diminui. Em campos elétricos não homogêneos, assim como em gases, pode haver uma quebra incompleta - uma coroa. Corona de longo prazo em dielétricos líquidos é inaceitável, pois causa a decomposição do líquido.

A frequência da corrente afeta a rigidez dielétrica.

17. Capacidade térmica e condutividade térmica de metais e ligas

A capacidade térmica é a capacidade de uma substância de absorver calor quando aquecida. Sua característica é a capacidade de calor específico - a quantidade de energia absorvida por uma unidade de massa quando aquecida em um grau. A possibilidade de rachaduras no metal depende da magnitude da condutividade térmica. Se a condutividade térmica for baixa, o risco de rachaduras aumenta. Assim, os aços ligados têm uma condutividade térmica cinco vezes menor que a do cobre e do alumínio. O tamanho da capacidade de calor afeta o nível de combustível consumido para aquecer o tarugo a uma determinada temperatura.

Para ligas metálicas, a capacidade de calor específico está na faixa de 100-2000 J / (kg * K). Para a maioria dos metais, a capacidade de calor é de 300-400 J / (kg * K). A capacidade calorífica dos materiais metálicos aumenta com o aumento da temperatura. Os materiais poliméricos, como regra, têm uma capacidade de calor específico de 1000 J/(kg·K) ou mais.

As propriedades elétricas dos materiais são caracterizadas pela presença de portadores de carga de elétrons ou íons e sua liberdade de movimento sob a ação de um campo elétrico.

As altas energias das ligações covalentes e iônicas conferem propriedades dielétricas aos materiais com esses tipos de ligações. Sua fraca condutividade elétrica é devido à influência de impurezas e, sob a influência da umidade, que forma soluções condutoras com impurezas, a condutividade elétrica desses materiais aumenta.

Materiais com diferentes tipos de ligações têm diferentes coeficientes de temperatura de resistência elétrica: para metais é positivo, para materiais com ligações covalentes e iônicas é negativo. Quando os metais são aquecidos, a concentração de portadores de carga - elétrons não aumenta e a resistência ao seu movimento aumenta devido ao aumento das amplitudes das vibrações atômicas. Em materiais com ligação covalente ou iônica, quando aquecidos, a concentração de portadores de carga aumenta tanto que o efeito da interferência do aumento das vibrações atômicas é neutralizado.

A condutividade térmica é a transferência de energia térmica em sólidos, líquidos e gases com imobilidade macroscópica de partículas. A transferência de calor ocorre das partículas mais quentes para as mais frias e obedece à lei de Fourier.

A condutividade térmica depende do tipo de ligação interatômica, temperatura, composição química e estrutura do material. O calor nos sólidos é transferido por elétrons e fônons.

O mecanismo de transferência de calor é determinado principalmente pelo tipo de ligação: em metais, o calor é transferido por elétrons; em materiais com um tipo de ligação covalente ou iônica - fônons. O diamante é o mais termicamente condutor. Em semicondutores, em uma concentração muito baixa de portadores de carga, a condutividade térmica é realizada principalmente por fônons. Quanto mais perfeitos os cristais, maior sua condutividade térmica. Os monocristais conduzem melhor o calor do que os policristais, uma vez que os contornos de grão e outros defeitos na estrutura do cristal espalham os fônons e aumentam a resistência elétrica. A rede cristalina cria um espaço de energia periódica no qual a transferência de calor por elétrons ou fônons é facilitada em comparação com o estado amorfo.

Quanto mais impurezas o metal contém, mais finos os grãos e mais distorcida a rede cristalina, menor a condutividade térmica. Quanto maior o tamanho do grão, maior a condutividade térmica. A dopagem introduz distorção nas redes cristalinas de soluções sólidas e reduz a condutividade térmica em comparação com o metal puro - a base da liga. Componentes estruturais que representam misturas dispersas de várias fases (eutéticas, eutetóides) reduzem a condutividade térmica. Estruturas com uma distribuição uniforme de partículas de fase têm uma condutividade térmica menor do que a base de liga. O tipo limitante de tal estrutura é um material poroso. Em comparação com os sólidos, os gases são isolantes térmicos.

O grafite tem uma alta condutividade térmica. Quando o calor é transferido paralelamente às camadas de átomos de carbono do plano basal, a condutividade térmica do grafite excede a condutividade térmica do cobre em mais de 2 vezes

As placas de grafite ramificadas em ferro fundido cinzento possuem uma estrutura monocristalina e, portanto, possuem uma alta condutividade térmica. Ferro fundido dúctil com grafite nodular com a mesma fração volumétrica de grafite tem uma condutividade térmica de 25...40 W/m*K, que é quase metade da do ferro fundido cinzento.

Quando aquecido, as condutividades térmicas dos aços de diferentes classes convergem. O vidro tem uma baixa condutividade térmica. Os materiais poliméricos conduzem mal o calor; a condutividade térmica da maioria dos termoplásticos não excede 1,5 W/(mOK).

A condutividade térmica pode mudar da mesma forma que a condutividade elétrica se a condutividade térmica eletrônica do metal for baixa. Então, quaisquer mudanças que ocorram na composição química e de fases e na estrutura da liga afetam a condutividade térmica, bem como a condutividade elétrica (de acordo com a regra de Wiedemann-Franz).

À medida que a composição da liga se afasta dos componentes puros, a condutividade térmica diminui. A exceção são, por exemplo, ligas de cobre-níquel, nas quais ocorrem fenômenos opostos.

18. Dilatometria. Propriedades magnéticas de metais e ligas. Métodos de determinação

Dilatometria - ramo da física; tarefa principal: estudo da influência das condições externas (temperatura, pressão, campos elétricos, magnéticos, radiações ionizantes) nas dimensões dos corpos. O principal tema de estudo: a expansão térmica dos corpos e as anomalias resultantes.

método dilatométrico. Quando metais e ligas são aquecidos, o volume e as dimensões lineares do corpo mudam - expansão térmica. Se essas mudanças se devem apenas ao aumento da energia das vibrações atômicas devido ao aumento da temperatura, quando a temperatura volta ao nível anterior, as dimensões originais do corpo também são restauradas. Se ocorrerem transformações de fase no corpo durante o aquecimento (ou resfriamento), as alterações no tamanho podem ser irreversíveis. As mudanças no tamanho dos corpos associadas ao aquecimento e resfriamento são estudadas em dispositivos especiais - dilatômetros.

O método dilatométrico é um método pelo qual os pontos críticos de metais e ligas são determinados, os processos de decomposição de soluções sólidas são estudados e os intervalos de temperatura para a existência de fases de endurecimento são estabelecidos. A vantagem desses instrumentos é sua alta sensibilidade e independência das leituras da taxa de variação de temperatura.

A alta sensibilidade dos métodos de medição elétrica é amplamente utilizada no estudo de transformações de fase, defeitos de estrutura fina e outros fenômenos que ocorrem em metais e ligas que não podem ser estudados por outros métodos de pesquisa. A resistência elétrica é medida usando vários circuitos de ponte, bem como métodos de compensação. Vários métodos de análise magnética são utilizados no estudo de processos associados à transição de um estado paramagnético para um estado ferromagnético (ou vice-versa), sendo possível quantificar esses processos. A análise magnética é amplamente utilizada na resolução de problemas de metalurgia prática, como estudar o efeito do tratamento térmico, deformação e liga na estrutura. Também é possível usar a análise magnética para resolver alguns problemas mais complexos da metalurgia física.

O método de atrito interno baseia-se no estudo das perdas irreversíveis de energia de vibrações mecânicas no interior de um corpo sólido. Usando este método, é possível calcular os coeficientes de difusão com alta precisão, também em baixas temperaturas, onde nenhum outro método é aplicável; determinar a mudança na concentração de soluções sólidas; distribuição de impurezas; obter informações sobre transformações de fase e polimórficas e mudanças na estrutura de discordâncias.

Aços e ligas magnéticos duros são usados para fazer ímãs permanentes. Para ímãs permanentes, são utilizados aços de alto carbono com 1% C, ligados com cromo (3%) EX3, bem como simultaneamente com cromo e cobalto, EX5K5, EX9K15M2. Elementos de liga aumentam a energia coercitiva e magnética.

As ligas do tipo Alnico são amplamente utilizadas na indústria. As ligas são duras, quebradiças e não deformáveis, então os ímãs são feitos a partir deles por fundição e, em seguida, a moagem é realizada.

Os materiais são divididos em diamagnets, paramagnets e ferromagnets, dependendo do grau de sua suscetibilidade magnética e qual é o seu signo.

Diamagnets têm uma suscetibilidade magnética negativa. Sua magnetização é direcionada oposta ao campo magnético aplicado. Isso leva a um enfraquecimento deste campo. Semicondutores (Si, Ge), dielétricos (polímeros), alguns metais não-transição (Be, Cu, Ag, Pb) são diamagnetos.

Os paraímãs têm baixa magnetização, o que ocorre sob a influência de um campo externo. Os paramagnetos são K, Na, Al e metais de transição Mo, W, Ti.

Os ferroímãs são caracterizados por alta suscetibilidade magnética. Estes incluem: ferro, cobalto, níquel e gadolínio. Características: indução residual Vg, força coercitiva Hc e permeabilidade magnética m = V/N.

Indução residual - indução magnética, que permanece na amostra como resultado de sua magnetização e posterior desmagnetização.

Força coercitiva - a força do campo magnético de sinal oposto, aplicado à amostra para desmagnetizá-la.

A permeabilidade magnética é a principal característica da intensidade de magnetização. Determinada a tangente do ângulo de inclinação à curva de magnetização primária B = f(H), pode-se calcular a permeabilidade magnética. A liga YUNDK15 contém 18–19% Ni, 8.5–9.5% Al, 14–15% Co e 3–4% Cu.

Aços magnéticos macios (aço elétrico) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79NM, 81NMA) são usados para a fabricação de circuitos magnéticos DC e AC. Destinam-se à fabricação de armaduras e pólos de máquinas CC, rotores e estatores de motores assíncronos, etc.

Aços paramagnéticos (17Kh18N9, 12Kh18N10T, 55G9N9Kh3, 40G14N9F2, 40Kh14N9Kh3YuF2, etc.) são necessários em engenharia elétrica, fabricação de instrumentos, construção naval e áreas especiais de tecnologia.

A desvantagem desses aços é sua baixa resistência ao escoamento (150-350 MPa), o que dificulta o seu uso para peças de máquinas altamente carregadas.

19. O valor das propriedades mecânicas e físicas na operação dos produtos

Propriedades como indicadores de qualidade do material

As propriedades dos metais são divididas em físicas, químicas, mecânicas e tecnológicas. As propriedades físicas incluem: cor, gravidade específica, fusibilidade, condutividade elétrica, propriedades magnéticas, condutividade térmica, capacidade de calor, expansibilidade quando aquecido.

A produtos químicos - oxidabilidade, solubilidade e resistência à corrosão. Para mecânica - resistência, dureza, elasticidade, viscosidade, plasticidade.

Para tecnológico - temperabilidade, fluidez, ductilidade, soldabilidade, usinabilidade.

A força de um metal é sua capacidade de resistir à ação de forças externas sem entrar em colapso. Dureza é a capacidade de um corpo resistir à penetração de outro corpo mais sólido nele. Elasticidade - a propriedade de um metal para restaurar sua forma após o término da ação de forças externas que causaram uma mudança na forma (deformação).

Viscosidade é a capacidade de um metal de resistir a forças externas (choque) que aumentam rapidamente. A viscosidade é a propriedade oposta à fragilidade.

A plasticidade é a propriedade de um metal ser deformado sem destruição sob a ação de forças externas e manter uma nova forma após a cessação das forças. A plasticidade é a propriedade oposta da elasticidade.

Os métodos modernos de teste de metais são testes mecânicos, análise química, análise espectral, análise metalográfica e de raios-X, amostras tecnológicas, detecção de falhas. Esses testes oferecem uma oportunidade de ter uma ideia da natureza dos metais, sua estrutura, composição e propriedades, bem como determinar a boa qualidade dos produtos acabados.

Os testes mecânicos são de extrema importância na indústria.

Detalhes de máquinas, mecanismos e estruturas trabalham sob cargas. As cargas nas peças são de vários tipos: algumas peças são carregadas com uma força que atua constantemente em uma direção, outras estão sujeitas a impactos e, em outras, as forças mudam mais ou menos frequentemente em magnitude e direção.

Algumas partes das máquinas são submetidas a cargas em temperaturas elevadas, sob ação da corrosão; essas peças funcionam em condições difíceis.

De acordo com isso, vários métodos para testar metais foram desenvolvidos, com a ajuda dos quais as propriedades mecânicas são determinadas. Os testes mais comuns são os de tração estática, dinâmicos e de dureza.

Ensaios estáticos são aqueles em que o metal a ser testado é submetido a uma força constante ou a uma força que aumenta muito lentamente.

Testes dinâmicos são aqueles em que o metal sendo testado é submetido a um impacto ou força que aumenta muito rapidamente.

Além disso, em alguns casos, são realizados testes de fadiga, fluência e desgaste, que fornecem uma visão mais completa das propriedades dos metais.

As propriedades mecânicas são força suficiente. Os metais têm uma resistência maior em comparação com outros materiais, portanto, as partes carregadas de máquinas, mecanismos e estruturas geralmente são feitas de metais.

Para a fabricação de molas e molas, são utilizados aços e ligas especiais com alta elasticidade.

A plasticidade dos metais torna possível processá-los por pressão (forjamento, laminação).

propriedades físicas. Na construção de aeronaves, carros e vagões, o peso das peças é frequentemente a característica mais importante, de modo que as ligas de alumínio e magnésio são especialmente úteis aqui.

A resistência específica para algumas ligas de alumínio é maior do que para o aço macio. A fusibilidade é usada para fazer peças fundidas despejando metal fundido em moldes. Metais de baixo ponto de fusão (chumbo) são usados como meio de endurecimento para aço. Algumas ligas complexas têm um baixo ponto de fusão que derrete em água quente. Tais ligas são utilizadas para fundição de matrizes de impressão, em dispositivos que servem para proteção contra incêndios.

Metais com alta condutividade elétrica são usados na engenharia elétrica, para a construção de linhas de energia, e ligas com alta resistência elétrica para aquecedores elétricos incandescentes.

As propriedades magnéticas dos metais desempenham um papel primordial na engenharia elétrica (motores elétricos, transformadores), na instrumentação elétrica (conjuntos de telefones e telégrafos).

A condutividade térmica dos metais permite produzir seu aquecimento uniforme para tratamento de pressão, tratamento térmico; oferece a possibilidade de soldar metais, sua soldagem.

Propriedades quimicas. A resistência à corrosão é especialmente importante para produtos que operam em ambientes altamente oxidados (grelhas de grelha, peças de máquinas da indústria química). Para obter alta resistência à corrosão, são produzidos aços especiais inoxidáveis, resistentes a ácidos e resistentes ao calor, e também são usados revestimentos de proteção para os produtos.

20. Tipos de fases em ligas metálicas. Regra de fase; regra da alavanca

Um diagrama de estado é uma representação gráfica do estado de qualquer liga do sistema em estudo, dependendo de sua concentração e temperatura.

O estudo de qualquer liga começa com a construção e análise do diagrama de estado do sistema correspondente. O diagrama de estados permite estudar as fases e os componentes estruturais da liga. Usando o diagrama de estado, é possível estabelecer a possibilidade de tratamento térmico e seus modos, temperaturas de fundição, deformação plástica a quente.

Em qualquer sistema, o número de fases que estão em equilíbrio depende das condições internas e externas. As leis de todas as mudanças que ocorrem no sistema estão sujeitas à lei geral de equilíbrio, que é chamada de regra de fase ou lei de Gibbs. A regra das fases expressa a relação entre o número de graus de liberdade C (variância) do sistema, o número de componentes K e o número de fases do sistema Ф que estão em equilíbrio.

Graus de liberdade são chamados de parâmetros termodinâmicos independentes, que podem receber valores arbitrários (em um determinado intervalo) para que os estados de fase não mudem (fases antigas não desaparecem e novas não aparecem).

Normalmente, todas as transformações em metais e ligas ocorrem à pressão atmosférica constante. Então a regra da fase é escrita da seguinte forma: C \u1d K - F + XNUMX.

A equação da regra de fase permite corrigir a exatidão da construção de diagramas de estado.

Uma fase é uma parte homogênea do sistema, que é separada de outras partes do sistema (fases) pela interface, ao passar pela qual a composição química ou estrutura da substância muda abruptamente.

Um líquido homogêneo é um sistema monofásico, e uma mistura mecânica de dois cristais é um sistema bifásico, pois cada cristal difere do outro em composição ou estrutura e eles são separados um do outro por uma interface.

Componentes são as substâncias que formam o sistema.

A construção de diagramas de estado é realizada por vários métodos experimentais. A análise térmica é frequentemente usada. Várias ligas deste sistema são selecionadas com diferentes proporções de massa de seus componentes. As ligas são colocadas em cadinhos refratários e aquecidas em um forno. Após a fusão das ligas, os cadinhos com as ligas são resfriados lentamente e a taxa de resfriamento é fixada. Com base nos dados obtidos, curvas térmicas são construídas em coordenadas tempo-temperatura. Como resultado das medições, obtém-se uma série de curvas de resfriamento, nas quais são observados pontos de inflexão e paradas de temperatura nas temperaturas de transformação de fase. As temperaturas correspondentes às transformações sem fase são chamadas de pontos críticos. Os pontos correspondentes ao início da cristalização são chamados de pontos liquidus, e os pontos correspondentes ao final da cristalização são chamados de pontos solidus. Com base nas curvas de resfriamento obtidas para diversas ligas do sistema em estudo, é construído um diagrama de fases em coordenadas; ao longo do eixo das abcissas - concentração dos componentes, ao longo do eixo das ordenadas - temperatura.

No processo de cristalização, tanto a concentração de fases quanto a quantidade de cada fase mudam. Em qualquer ponto do diagrama, quando duas fases existem simultaneamente na liga, a quantidade de ambas as fases e sua concentração podem ser determinadas. Para isso, é utilizada a regra da alavancagem ou a regra dos segmentos.

Regra do segmento. Este diagrama cobre ligas cujos componentes formam misturas de seus grãos praticamente puros com solubilidade mútua desprezível. A abscissa mostra a porcentagem do componente B na liga.

A estrutura de fase das ligas no diagrama depende da temperatura. Com a ação termodinâmica dos componentes uns sobre os outros, a temperatura de sua transição para o estado líquido diminui, atingindo um certo mínimo em uma composição determinada para cada par de componentes. A composição da liga pode ser determinada projetando o ponto C no eixo das abcissas (ponto Ve). Uma liga de dois componentes que derrete a uma temperatura mínima é chamada de eutética ou eutética.

O eutético é uma mistura uniforme de pequenos grãos cristalizados simultaneamente de ambos os componentes. A temperatura na qual ambos os componentes fundem ou cristalizam simultaneamente é chamada de temperatura eutética.

As mudanças quantitativas nas ligas de um determinado sistema de componentes durante a cristalização obedecem à regra dos segmentos.

Para determinar as concentrações dos componentes nas fases, traça-se uma linha horizontal que passa por um determinado ponto caracterizando o estado da liga até cruzar com as linhas que limitam esta área; as projeções dos pontos de interseção no eixo de concentração mostram as composições das fases.

Ao desenhar uma linha horizontal através de um determinado ponto, você pode determinar a proporção quantitativa das fases. Os segmentos dessa linha entre o ponto dado e os pontos que determinam a composição das fases são inversamente proporcionais às quantidades dessas fases.

A regra do segmento em diagramas de estado duplo é usada apenas em áreas de duas fases. Em uma região monofásica, há apenas uma fase; qualquer ponto dentro da região caracteriza sua concentração.

21. Soluções sólidas de substituição e inserção; fases intermediárias; superestruturas

As soluções sólidas são fases em que um dos componentes da liga retém sua rede cristalina, enquanto os átomos dos outros componentes estão localizados na rede do primeiro componente, alterando suas dimensões (períodos). A solução sólida, que consiste em dois componentes, possui um tipo de rede e representa uma fase.

Distinguir entre soluções sólidas de substituição e soluções sólidas intersticiais. Quando uma solução sólida substitucional é formada, os átomos do componente dissolvido substituem alguns dos átomos do solvente em sua rede cristalina.

Durante a cristalização de um metal puro, existem duas fases no sistema: líquido (metal fundido) e sólido (grãos de metal solidificado). Em ligas duras, as fases são grãos de metal puro, grãos de solução sólida e grãos de compostos químicos.

Todos os metais no estado líquido se dissolvem um no outro em qualquer proporção. Como resultado da dissolução, uma solução líquida homogênea é formada com uma distribuição uniforme de átomos de um metal entre os átomos de outro metal.

Alguns metais, que variam muito em tamanho atômico, não se dissolvem no estado líquido, e poucos metais se dissolvem no estado líquido de forma limitada.

Na formação de ligas durante sua solidificação, várias interações dos componentes são possíveis.

Outra forma de interação entre as substâncias que compõem a liga é a formação de soluções sólidas.

Soluções sólidas são fases sólidas nas quais as proporções entre os componentes podem mudar. Em uma solução sólida, assim como nos metais puros, os átomos no espaço são arranjados regularmente, formando uma rede cristalina. Isso é o que os distingue das soluções líquidas. Em uma solução sólida, uma das substâncias que compõem a liga retém sua rede cristalina, e a segunda substância, tendo perdido sua estrutura cristalina, é distribuída na forma de átomos individuais na rede cristalina da primeira. A primeira substância é um solvente e a segunda é solúvel. Dependendo da natureza distribuições de átomos de um elemento solúvel distinguem entre soluções sólidas de intersticial, substituição e subtração. Independentemente do tipo de solução sólida, eles têm em comum o fato de serem monofásicos e existirem em uma faixa de concentrações. As soluções sólidas são caracterizadas por ligações metálicas. Em soluções sólidas intersticiais, os átomos do elemento solúvel são distribuídos na rede cristalina do metal solvente, ocupando lugares entre seus átomos.

Anteriormente, notou-se que nos metais os átomos na rede cristalina estão localizados próximos uns dos outros e os vazios entre eles são pequenos. Apenas átomos com tamanhos muito pequenos podem ser acomodados em tais vazios.

Alguns metalóides - hidrogênio, nitrogênio, carbono, boro - têm os menores tamanhos de átomos, que formam soluções sólidas intersticiais com metais. Mas mesmo para esses elementos, o tamanho dos átomos excede um pouco o tamanho das lacunas interatômicas na rede cristalina dos metais; portanto, quando as soluções sólidas intersticiais são formadas, a rede é distorcida e surgem tensões nela. Nesse caso, a concentração da solução sólida intersticial não pode ser alta: raramente excede 1 a 2%.

Em soluções sólidas substitucionais, os átomos do elemento solúvel tomam o lugar dos átomos do metal base. Átomos estranhos podem substituir os átomos do solvente em qualquer lugar, então tais soluções são chamadas de soluções sólidas desordenadas. Os tamanhos dos átomos do elemento solúvel diferem dos tamanhos do átomo do solvente (são maiores ou menores), portanto, quando uma solução sólida substitucional é formada, a rede cristalina do metal solvente é levemente distorcida sem perder sua estrutura básica .

As soluções sólidas de substituição podem ser limitadas e ilimitadas. Uma das condições para solubilidade ilimitada é o fator de tamanho: quanto maior a diferença nos raios atômicos, menor a solubilidade.

Com a diminuição da temperatura nas soluções sólidas substitucionais, pode ocorrer um processo de redistribuição dos átomos, pelo que os átomos do elemento dissolvido ocuparão lugares estritamente definidos na rede do solvente. Essas soluções sólidas são chamadas de soluções sólidas ordenadas e sua estrutura é chamada de superestrutura.

A temperatura de transição de um estado desordenado para um ordenado é chamada de ponto de Kurnakov. As soluções sólidas ordenadas são caracterizadas por maior dureza, menor plasticidade e resistência elétrica. Eles podem ser considerados como fases intermediárias entre soluções sólidas e compostos químicos.

22. Sistema com solubilidade ilimitada em estado líquido e sólido; sistemas eutéticos, peritéticos e monotéticos. Sistemas com polimorfismo de componentes e transformação eutetóide

A solubilidade mútua completa no estado sólido é possível quando ambos os componentes têm as mesmas redes cristalinas e os diâmetros atômicos dos componentes diferem pouco em tamanho. Tal diagrama tem uma forma simples e consiste em duas linhas liquidus e solidus que se cruzam nos pontos de cristalização dos componentes puros A e B. Todas as ligas solidificam em uma determinada faixa de temperatura (C = 1).

Se o processo de cristalização ocorre em condições de resfriamento acelerado, que geralmente ocorre durante a produção de peças fundidas e lingotes, então o nivelamento por difusão da composição de cristais precipitados em temperaturas acima de t₃, não tem tempo para ocorrer, pelo que se obtém uma composição desigual não só nos cristais individuais, mas em cada um deles. As partes internas do cristal serão mais ricas no componente refratário B, as externas - no componente A. Esse fenômeno de não homogeneidade da composição química é chamado

Os primeiros cristais na superfície do lingote serão enriquecidos no componente B, e os últimos cristais formados no meio do lingote serão enriquecidos no componente A. Como resultado, ocorre macrossegregação no lingote.

A segregação desempenha um papel negativo, especialmente nos casos em que as impurezas prejudiciais são distribuídas de forma desigual. O aumento do teor de impurezas nocivas pode levar à destruição prematura das peças.

Tendo um diagrama de fases, pode-se traçar as transformações de fase de qualquer liga e indicar a composição e proporção quantitativa das fases em qualquer temperatura. Isso é feito com duas regras simples.

A composição química dos cristais precipitados, à medida que a temperatura diminui, muda ao longo da linha solidus de x_е até x_с. Ao mesmo tempo, a composição da fase líquida muda ao longo da linha liquidus de x_с até x_i Isso dá base para formular regras para determinar a composição das fases (a regra das concentrações) e a proporção quantitativa das fases (a regra dos segmentos).

Componentes: A e B; fases: W,α,β, onde α é uma solução sólida de átomos do componente B na rede cristalina do componente A, e β é uma solução sólida de átomos do componente A na rede cristalina do componente B.

Dependendo da interação dessas três fases, dois tipos de diagramas são possíveis: um diagrama com um eutético e um diagrama com um peritético.

Diagrama de estado com eutético. A linha ALL é a linha liquidus, a linha EVSKE é a linha solidus. As linhas VM e CG mostram a solubilidade limitante dos componentes. Como nos casos anteriores, o processo de cristalização de qualquer liga pode ser seguido usando a regra das fases e a regra dos segmentos.

Um sistema é um conjunto de fases no estado sólido ou líquido que estão em equilíbrio sob certas condições externas (temperatura e pressão).

Diferentes formas alotrópicas são geralmente denotadas pelas letras do alfabeto grego α, β, γ, que são adicionadas como índices ao símbolo que denota o elemento. A forma alotrópica que é estável na temperatura mais baixa é denotada pela letra α, existindo em uma temperatura mais alta β, então γ. Um exemplo de transformação alotrópica devido a uma mudança de pressão é a modificação da estrutura cristalina do carbono, que pode existir na forma de grafite e diamante. O polimorfismo é de grande importância prática. Usando esse fenômeno, é possível fortalecer ou amolecer ligas usando tratamento térmico.

De grande interesse prático são as ligas em que um ou ambos os componentes apresentam transformações polimórficas. Nestas ligas, como resultado do tratamento térmico, é possível obter estados metaestáveis da estrutura com novas propriedades.

Após a cristalização de todas as ligas deste sistema em uma determinada faixa de temperatura, forma-se uma solução sólida γ, que, quando a temperatura cai abaixo de t₃ sofre uma transformação eutetóide γ_C → um_E + β

A mistura resultante de duas fases sólidas é chamada de eutetóide. Devido à solubilidade variável dos componentes em soluções sólidas α e β, o resfriamento adicional é seguido por precipitação secundária de soluções sólidas β_II e α_II.

Alguns elementos modificam sua estrutura cristalina, ou seja, o tipo de rede cristalina, dependendo de mudanças nas condições externas - temperatura e pressão. A existência da matéria em várias formas cristalinas, dependendo das condições externas, é determinada pela sua tendência a um estado com menor oferta de energia livre. Este fenômeno é chamado de polimorfismo ou alotropia. Cada tipo de rede representa uma modificação ou modificação alotrópica. Cada modificação tem sua própria faixa de temperatura na qual é estável.

Nas transformações polimórficas de metais, a temperatura é de primordial importância. A transformação de uma forma alotrópica em outra ocorre a uma temperatura constante, chamada de temperatura de transformação polimórfica, e é acompanhada por um efeito térmico, semelhante aos fenômenos de fusão-solidificação ou evaporação-condensação. Isso se deve à necessidade de gastar uma certa quantidade de energia no rearranjo da rede cristalina.

Os volumes atômicos e, consequentemente, as energias totais de várias modificações, em regra, diferem pouco, mas há exceções.

23. Sistema com tripla eutética e ausência quase completa de solubilidade dos componentes no estado sólido; seções isotérmicas e politérmicas

Diagramas de estado de ligas binárias são construídos em um plano: a concentração de componentes é plotada ao longo do eixo de abcissas, a temperatura para ligas ternárias é plotada ao longo do eixo de ordenadas. Mais comum é a imagem espacial.

Um triângulo equilátero, chamado de triângulo de concentração, é usado como base do diagrama. A temperatura é plotada ao longo de um eixo perpendicular ao plano do triângulo de concentração. Os vértices do triângulo correspondem às concentrações correspondentes aos componentes puros A, B e C do sistema em estudo.

Nos lados do triângulo, as concentrações dos dois componentes correspondentes são plotadas: A-B, B-C, C-A. Cada ponto dentro do triângulo corresponde à composição de alguma liga ternária particular. A composição das ligas é determinada com base no bem conhecido teorema em um triângulo equilátero, a soma de três perpendiculares caídas de qualquer ponto K, situado dentro do triângulo, até seus lados, é igual à altura do triângulo.

A altura do triângulo é tomada como 100%, então as perpendiculares Ka, Kc e Kb caracterizarão as concentrações dos componentes individuais da liga ternária. A quantidade de cada componente é determinada pelo valor da perpendicular baixada para o lado oposto, ou seja, a quantidade do componente C é determinada pela perpendicular Kc, componente A-Ka, componente B-Kb.

Mais frequentemente, a composição das ligas é determinada não pelos valores das perpendiculares, mas pelos valores dos segmentos cortados nos lados do triângulo por linhas paralelas aos lados do triângulo, ou seja, ao longo do segmentos Aa, Be e CJ. O segmento Ad corresponde à concentração do componente B, o segmento Be-componente C. e o segmento C ^ componente A. A concentração é determinada no sentido horário, mas também pode ser determinada no direção oposta.

A interação dos componentes nas ligas ternárias é semelhante às duplas: é possível a formação de misturas mecânicas, soluções sólidas e compostos químicos: reações eutéticas e peritéticas, transformações polimórficas são possíveis. A diferença é que nos sistemas binários as transformações são indicadas por linhas e pontos, e nos sistemas ternários, por planos e linhas. Por exemplo, não uma linha liquidus, mas uma superfície liquidus (ou uma superfície solidus), não uma linha eutética, mas uma superfície eutética. A composição de um duplo eutético é determinada não por um ponto, mas por uma linha. E apenas o eutético triplo é projetado no plano do triângulo por um ponto. Tudo isso pode ser rastreado estudando dois diagramas típicos do estado das ligas de três componentes.

Ao contrário dos diagramas duplos, os diagramas ternários permitem realizar análises de fases e estruturais de ligas técnicas reais, que, via de regra, são de três ou mais componentes.

O modelo do sistema ternário é um prisma triédrico apoiado em um triângulo equilátero. A parte superior do prisma é a superfície liquidus. Em um sistema ternário, onde todos os três componentes são infinitamente solúveis nos estados líquido e sólido, a superfície liquidus tem a forma mais simples - é a superfície de um grão de lentilha cortado em três lados. Em todos os outros casos, esta superfície revela-se complexa, constituída por várias superfícies que se cruzam, pelo que o estudo de sistemas ternários apresenta algumas dificuldades metodológicas.

A base do prisma triédrico é um triângulo equilátero, no qual as concentrações são marcadas pelas faces laterais do diagrama de estado dos sistemas binários, e a altura é a temperatura. A escolha de um triângulo equilátero é explicada pelo fato de que nele as concentrações de todos os componentes podem ser mostradas na mesma escala. Nos vértices deste triângulo estão os componentes A, B e C da liga, ou seja, 100% A, 100% B e 100% C, respectivamente. As concentrações de ligas binárias são anotadas nos respectivos lados do triângulo, e as concentrações de ligas ternárias são indicadas como pontos dentro da área do triângulo.

Existem várias maneiras de determinar a concentração de qualquer liga ternária. Para determinar a porcentagem do componente A, é necessário traçar do ponto K uma linha paralela ao lado oposto (BC) do triângulo, até cruzar com o lado - a escala do componente A. Para encontrar a porcentagem do componente B , é necessário traçar uma linha do ponto K paralelo ao lado oposto (AC) , até cruzar com o lado AB - a escala do componente B. De maneira semelhante, você pode definir a porcentagem do componente C. Deve ter em mente que a concentração total A + B + C \u100d XNUMX%.

Para explicar as transformações de fase em sistemas ternários, são utilizadas seções - vertical (politérmica) e horizontal (isotérmica). Cada seção horizontal caracteriza o estado de equilíbrio na temperatura selecionada e pode ser usada para cálculos quantitativos. Os pontos que indicam as composições de equilíbrio das fases estão localizados no plano de corte. A seção vertical mostra a sequência de transformações de fase em ligas durante o aquecimento ou resfriamento para uma certa faixa de concentrações de componentes. Não há informações sobre as composições de equilíbrio das fases nessas seções transversais.

24. A regra da alavanca e o centro de gravidade do triângulo

Usando o diagrama de estados, é possível determinar para qualquer temperatura não apenas o número de fases, mas também sua composição e proporção quantitativa. Para fazer isso, aplique a regra dos segmentos (a regra da alavanca).

Esta regra pode ser usada para diagramas nos quais as ligas estão em estado bifásico. A primeira regra dos segmentos é a determinação da composição das fases.

A estrutura de fase das ligas no diagrama depende da temperatura. Com a ação termodinâmica dos componentes uns sobre os outros, a temperatura de sua transição para o estado líquido diminui, atingindo um certo mínimo em uma composição determinada para cada par de componentes. A composição da liga pode ser determinada projetando o ponto C no eixo x (ponto B 3). Uma liga de dois componentes que derrete a uma temperatura mínima é chamada de eutética ou eutética. O eutético é uma mistura uniforme de pequenos grãos cristalizados simultaneamente de ambos os componentes. A temperatura na qual ambos os componentes fundem simultaneamente é chamada de temperatura eutética.

No diagrama de estados, as temperaturas acima das quais as ligas estão no estado líquido estão na linha DIA, chamada de linha liquidus. A transição das ligas do estado líquido para o estado sólido durante a cristalização ocorre na faixa de temperatura entre a linha liquidus e a temperatura eutética, que corresponde à linha DCE solidus. Neste caso, de cada liga, à medida que a temperatura diminui, primeiro o componente, cuja quantidade excede a concentração eutética, passa para a fase sólida. Nas ligas hipoeutéticas, a região bifásica ACD contém um componente em excesso A e uma fase líquida Zh, e na região hipereutética ALL existem, respectivamente, fases sólidas B e líquidas líquidas. Em ambos os casos, a fase G é uma solução líquida de ambos os componentes.

À medida que a temperatura diminui e se aproxima dela, a composição da fase não cristalizada se aproxima da eutética, neste caso, quanto menos a liga difere em composição da eutética, menor é o seu ponto de liquidus, e mais os eutéticos se solidificam nela.

As mudanças quantitativas nas ligas de um determinado sistema de componentes durante a cristalização obedecem à regra dos segmentos. A quantidade de cada componente estrutural, da qual dependem as propriedades, pode ser calculada pela regra dos segmentos em relação à temperatura eutética. Ao avaliar as propriedades de resistência, deve-se ter em mente que a parte da liga, que é representada pelo eutético, possui uma resistência maior do que a parte representada pelos grãos maiores da fase em excesso.

Determinar a composição das fases de uma liga em diferentes temperaturas no ponto n. Para isso, através do ponto n, que caracteriza o estado dessa liga na temperatura t_n, é necessário traçar uma linha horizontal (konoda) até cruzar com as linhas do diagrama de estados que delimitam esta região bifásica. Pontos de interseção l₂ e s₂ são projetadas no eixo de concentração. Projeção de ponto l₂ ponto l₂ mostrará a composição da fase líquida, e os pontos s₂ - pontos₂ - fase sólida. Para determinar a composição das fases a qualquer temperatura, é necessário traçar um cônodo através deste ponto e projetar os pontos de interseção com o liquidus e o solidus no eixo de concentração. A composição da fase líquida muda ao longo da linha liquidus e a fase sólida - ao longo da linha solidus.

Em temperaturas abaixo da linha solidus, a composição de fases de todas as ligas do sistema considerado consiste em grãos de ambos os componentes: A+B. Existem pequenos grãos A e B presentes em qualquer liga, que compõem o eutético, e grandes grãos de fases em excesso - componentes A ou B, respectivamente, em ligas hipoeutéticas e hipereutéticas.

Usando a segunda posição da regra dos segmentos, determine a proporção quantitativa das fases para qualquer temperatura. O número (massa) de fases é inversamente proporcional aos segmentos do conodo conduzido.

A regra dos segmentos (alavanca) permite determinar a composição e quantidade de fases sólidas e líquidas da liga, que está no intervalo de cristalização. A partir do diagrama de estado, pode-se determinar não apenas o número de fases de uma determinada liga a uma determinada temperatura, mas também a quantidade relativa de cada fase. Para determinar o número de fases, por exemplo, uma liga Pb - Sb contendo 72% Sb, a uma dada temperatura, é necessário traçar uma perpendicular a partir de um ponto no eixo de concentração correspondente ao teor de 72% Sb, e uma linha horizontal correspondente a uma dada temperatura t_зад. Como resultado da intersecção das linhas, obtemos o ponto K. Continuamos a linha horizontal que passa pelo ponto K até cruzar com as linhas do diagrama, obtemos os pontos l e S. O ponto l corresponde à fase líquida do liga (está na linha liquidus), temperaturas de antimônio puro).

Regra da alavanca.

1. A quantidade da fase sólida é igual à razão entre o comprimento do braço adjacente à fase líquida e o comprimento de toda a alavanca.

2. A quantidade da fase líquida é igual à razão entre o comprimento do braço adjacente à fase sólida e o comprimento de toda a alavanca.

25. Dependência das propriedades mecânicas e físicas da composição em sistemas de vários tipos

Uma propriedade é uma característica quantitativa ou qualitativa de um material que determina sua semelhança ou diferença com outros materiais.

Existem três grupos principais de propriedades: operacionais, tecnológicas e de custo, que fundamentam a escolha do material, determinam a viabilidade técnica e econômica de seu uso.

As propriedades de desempenho são primordiais. O desempenho de muitas peças de máquinas e produtos fornece um nível de propriedades mecânicas.

As propriedades mecânicas caracterizam o comportamento de um material sob a ação de uma carga externa. Como as condições de carregamento das peças da máquina são extremamente diversas, as propriedades mecânicas incluem um grande grupo de indicadores.

O desempenho de um grupo separado de peças de máquinas depende não apenas das propriedades mecânicas, mas também da resistência à ação de um ambiente de trabalho quimicamente ativo. Se tal impacto se tornar significativo, as propriedades físico-químicas do material - resistência ao calor e resistência à corrosão - tornam-se decisivas.

As propriedades mecânicas caracterizam a resistência de um material à deformação, destruição ou uma característica de seu comportamento no processo de destruição. Este grupo de propriedades inclui indicadores de resistência, rigidez (elasticidade), plasticidade, dureza e viscosidade. O principal grupo desses indicadores são as características padrão das propriedades mecânicas, que são determinadas em condições de laboratório em amostras de tamanhos padrão. Os indicadores de propriedades mecânicas obtidos durante tais ensaios avaliam o comportamento dos materiais sob carga externa sem levar em consideração o projeto da peça e suas condições de operação. Além disso, são determinados indicadores de resistência estrutural, que estão em maior correlação com as propriedades de serviço de um determinado produto, e o desempenho do material é avaliado em condições operacionais.

As propriedades mecânicas dos materiais caracterizam a possibilidade de sua utilização em produtos operados sob a influência de cargas mecânicas. Os principais indicadores de tais propriedades são parâmetros de resistência, dureza e características tribológicas. Eles não são constantes "puras" de materiais, mas dependem significativamente da forma, dimensões e estado da superfície das amostras, bem como dos modos de teste, principalmente da taxa de carregamento, temperatura, exposição ao meio e outros fatores. A alta dureza do metal é importante na fabricação de produtos de corte. Na maioria das vezes, os aços-ferramenta são usados para esses produtos.

Força - a propriedade dos materiais de resistir à destruição, bem como à mudança irreversível de forma sob a influência de cargas externas. É devido às forças de interação das partículas atômicas que compõem o material. A força da interação de dois átomos vizinhos depende da distância entre eles, se negligenciarmos a influência dos átomos vizinhos.

A deformação é uma mudança no arranjo relativo das partículas em um material. Seus tipos mais simples são: tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento. Deformação - uma mudança na forma e no tamanho da amostra ou de suas partes como resultado da deformação.

O limite de proporcionalidade é a tensão na qual o desvio da relação linear entre tensões e deformações atinge um determinado valor estabelecido pelas especificações.

Propriedades físicas importantes dos materiais que são levadas em consideração ao usar materiais são densidade, capacidade de calor, condutividade térmica, expansão térmica e condutividade elétrica. As propriedades magnéticas especiais do ferro, níquel, cobalto e suas ligas, bem como das ferritas, os distinguem em um grupo de materiais de valor excepcional - ferro e ferrimagnetos.

As propriedades físicas são determinadas pelo tipo de ligação interatômica e pela composição química dos materiais, temperatura e pressão. Para a maioria dos processos de processamento de materiais, as pressões não excedem 500 MPa. Tais pressões praticamente não afetam os valores das propriedades físicas. Existem propriedades físicas dependentes e independentes da estrutura do material. Os valores deste último são determinados apenas pela composição química do material e temperatura.

Propriedades físicas dos metais - cor, densidade, ponto de fusão, condutividade térmica e elétrica, capacidade de ser magnetizado, etc. O cobre, por exemplo, é um metal vermelho e rosa em uma fratura; alumínio branco prateado; chumbo é cinza claro. Uma característica importante das propriedades físicas é a condutividade elétrica. O cobre tem a maior condutividade elétrica depois da prata. O alumínio tem baixa densidade, por isso peças feitas de alumínio e ligas à base dele são amplamente utilizadas na construção de automóveis e tratores. Cobre e alumínio, que possuem alta condutividade elétrica, são usados para fazer condutores (enrolamentos de transformadores, linhas de energia). O peso do produto ou peça também desempenha um papel importante e atua como a principal característica.

26. Seleção de ligas para um fim específico com base na análise de diagramas de estado

Metais puros são usados em engenharia elétrica e de rádio (condutor, eletrovácuo). Principal

materiais estruturais são ligas metálicas. Uma liga é uma substância obtida pela fusão de dois ou mais elementos (componentes). Uma liga feita principalmente de elementos metálicos e com propriedades metálicas é chamada de liga metálica. Pseudo-ligas - ligas criadas por sinterização, sublimação, eletrólise.

As ligas metálicas podem ser obtidas por metalurgia do pó, difusão e outros métodos. O uso predominante de ligas metálicas na tecnologia é explicado pelo fato de possuírem complexos de propriedades mecânicas, físicas e tecnológicas mais valiosos do que os metais puros. Os principais conceitos na teoria das ligas são: sistema, componente, fase, variância.

Sistema - um grupo de corpos alocados para observação e estudo. Na ciência do metal, os sistemas são metais e ligas metálicas. O metal puro é um sistema simples. As ligas consistem em dois ou mais componentes e são sistemas complexos.

Os componentes são chamados de substâncias que formam um sistema, tomadas em menor número. Nas ligas metálicas, os componentes podem ser elementos (metais e não metais) e compostos químicos.

Uma fase é uma parte homogênea do sistema, separada de outra parte do sistema (fase) por uma interface, ao passar pela qual a composição química ou estrutura muda abruptamente. Por exemplo, durante a cristalização de um metal puro, existem duas fases no sistema: líquida (metal fundido) e sólida (grãos de metal solidificado). Em ligas duras, as fases podem ser grãos de metal puro, grãos de solução sólida e grãos de compostos químicos.

Variação - o número de fatores internos e externos que podem ser alterados com um número constante de fases no sistema.

Todos os metais em estado líquido se dissolvem em qualquer proporção. Como resultado da dissolução, uma solução líquida homogênea é formada com uma distribuição uniforme de átomos de um metal entre os átomos de outro metal. Devido a essa interação, na prática, para distribuir uniformemente as substâncias na liga, geralmente recorrem à fusão. Apenas alguns poucos metais, principalmente aqueles com tamanhos de átomos muito diferentes, não se dissolvem no estado líquido. Além disso, poucos metais se dissolvem no estado líquido de forma limitada. Na formação de ligas durante sua solidificação, várias interações dos componentes são possíveis. Se no processo de cristalização a força de interação entre átomos homogêneos for maior que a força de interação entre átomos heterogêneos, após a cristalização, uma mistura mecânica é formada, consistindo de grãos de metais puros. Nesse caso, grãos de um metal puro e próximos a eles grãos de outro metal puro estarão presentes na liga dura. Essa forma de interação ocorre quando há uma grande diferença nas propriedades dos metais incluídos na liga.

Outra forma de interação entre as substâncias que compõem a liga é a formação de soluções sólidas.

As soluções sólidas também são divididas dependendo do grau de solubilidade dos componentes em soluções com solubilidade limitada dos componentes e com solubilidade ilimitada.

A construção de diagramas de estado é realizada por vários métodos experimentais. O método mais utilizado é a análise térmica. A essência experimental deste método é a seguinte. Várias ligas deste sistema são selecionadas com diferentes proporções de massa de seus componentes.

Existem ligas - misturas mecânicas que são formadas quando é impossível dissolver os componentes que estão no estado sólido. Esses componentes não podem formar compostos por meio de uma reação química. As misturas mecânicas incluem elementos com diferentes propriedades e estrutura. A composição da liga inclui cristais de componentes que formam redes cristalinas.

Compostos químicos são ligas formadas a partir de diferentes elementos contendo átomos heterogêneos, entre os quais a força de interação é muito maior do que entre átomos homogêneos.

27. Estrutura e propriedades do ferro; diagramas de fases de ferro-carbono metaestáveis e estáveis. Formação da estrutura dos aços carbono. Determinação do teor de carbono no aço por estrutura

Ligas de ferro e carbono são os materiais metálicos mais comuns. O diagrama de estados de ferro-carbono dá uma ideia da estrutura das ligas de ferro-carbono - aços e ferros fundidos.

O ferro puro é um metal prateado-leve, praticamente não afetado pela oxidação. Número atômico 26, peso atômico 55,85. O ferro tecnicamente puro contém 0,10-0,15% de todas as impurezas. As propriedades do ferro dependem do seu grau de pureza. Ponto de fusão - 1539 ° C, densidade - 7,85 g / cm³. O ferro tem baixa dureza e resistência e boa ductilidade. O ferro puro é menos durável que o ferro fundido ou o aço.

O ferro forma soluções com muitos elementos: com metais - soluções de substituição, com carbono, nitrogênio e hidrogênio - soluções intersticiais. A solubilidade do carbono no ferro depende da forma cristalina do ferro.

Quando o carbono é dissolvido no ferro, formam-se soluções sólidas. A ferrita é uma solução obtida pela dissolução de carbono em uma modificação de baixa temperatura do ferro. Caracteriza-se por baixa dureza e alta ductilidade. O carbono, dissolvendo-se na modificação de alta temperatura do ferro, forma a austenita plástica.

O carbono ocorre na natureza na forma de duas modificações: na forma de diamante, que possui uma rede cúbica complexa, e na forma de grafite, que possui uma rede hexagonal simples.

Cementita é carboneto de ferro contendo 6,67% de carbono. Quebradiço e duro. No caso de uma grande quantidade de silício estar presente no metal, a formação de cementita não ocorre. Neste caso, o carbono é convertido em grafite (ferro fundido cinzento).

O teor de carbono no diagrama Fe - C (cementita) é limitado a 6,67%, pois nessa concentração é formado um composto químico - carboneto de ferro (Fe_зC) ou cementita, que é o segundo componente deste diagrama.

Sistema Re-Fe₃C é metaestável. A formação de cementita em vez de grafite proporciona um ganho menor de energia livre, mas a formação cinética de carboneto de ferro é mais provável.

O ponto A (1539 °C) corresponde ao ponto de fusão do ferro, o ponto D (1500 °C) ao ponto de fusão da cementita, os pontos N (1392 °C) e G (910 °C) correspondem à transformação polimórfica.

As ligas ferro-carbono são aços e ferros fundidos, que são os principais materiais utilizados na engenharia mecânica e na tecnologia moderna.

O aço é o principal material metálico amplamente utilizado para a fabricação de peças de máquinas, aeronaves, instrumentos, ferramentas diversas e estruturas de edifícios. A ampla utilização dos aços deve-se a um complexo de propriedades mecânicas, físico-químicas e tecnológicas.

Os aços combinam alta rigidez com resistência estática e cíclica. Esses parâmetros são alterados alterando a concentração de carbono, elementos de liga e tecnologias de tratamento térmico e químico-térmico. Alterando a composição química, obtêm-se aços com propriedades diferenciadas que são utilizados em diversos ramos da tecnologia e na economia nacional.

Os aços carbono são classificados de acordo com o teor de carbono, finalidade, qualidade, grau de desoxidação e estrutura em estado de equilíbrio.

De acordo com o teor de carbono, os aços são divididos em baixo carbono (< 0,3% C), médio carbono (0,3-0,7% C) e alto carbono (> 0,7% C).

De acordo com sua finalidade, os aços são classificados em aços estruturais e aços ferramenta. Os aços estruturais representam o grupo mais extenso, que se destina à fabricação de estruturas de edifícios, peças de máquinas e dispositivos. Esses aços incluem aços cimentados, melhorados, de alta resistência e com mola. Os aços ferramenta são divididos em aços para corte, ferramentas de medição, matrizes de deformação a frio e a quente (até 200°C).

Os aços são classificados pela qualidade em qualidade comum, alta qualidade e alta qualidade. A qualidade do aço é um conjunto de propriedades determinadas pelo processo metalúrgico de sua produção. A uniformidade da composição química, estrutura e propriedades do aço, bem como sua capacidade de fabricação, dependem muito do teor de gases (oxigênio, hidrogênio, nitrogênio) e impurezas nocivas - enxofre e fósforo. Os gases são latentes, quantitativamente difíceis de determinar as impurezas, portanto, as normas para o teor de impurezas nocivas servem como os principais indicadores para a separação dos aços por qualidade. Os aços de qualidade comum são apenas carbono (até 0,5% C), de alta qualidade e de alta qualidade - carbono e liga. De acordo com o grau de desoxidação e a natureza da solidificação, os aços são classificados em calmos, semi-calmos e em ebulição.

Os aços de liga são produzidos calmos, aços carbono - calmos, semi-silenciosos e em ebulição.

De acordo com a estrutura no estado de equilíbrio, os aços são divididos em:

1) hipoeutetóide, possuindo ferrita e perlita na estrutura;

2) eutetóide, cuja estrutura consiste em perlita;

3) hipereutetóide, com perlita e cementita secundária na estrutura.

28. Aços carbono estruturais e ferramenta. Marcação, aplicação

Os aços estruturais de carbono são divididos em aços de qualidade comum e aços de alta qualidade.

Graus de aço de qualidade comum St0, St1, St2, ..., St6 (à medida que o número aumenta, o teor de carbono aumenta). Aços de qualidade comum, especialmente os ferventes, são os mais baratos. A partir de aços de qualidade comum, é produzido aço comum laminado a quente: vigas, barras, chapas, tubos. Os aços são usados na construção de estruturas soldadas e aparafusadas. À medida que o teor de carbono no aço aumenta, a soldabilidade se deteriora. Os aços St5 e St6, com maior teor de carbono, são usados para elementos de estruturas de edifícios que não são submetidos à soldagem.

A fundição de aço carbono de alta qualidade é realizada sob condições rigorosas em relação à composição da carga e à condução da fusão e da fundição. Os aços carbono de alta qualidade são marcados com os números 08, 10, 15, ..., 85, indicando o teor médio de carbono em centésimos de porcentagem.

Aços de baixo carbono têm alta resistência e alta ductilidade. Os aços não tratados termicamente são usados para peças levemente carregadas, estruturas soldadas críticas, para peças de máquinas endurecidas por cementação. Aços de médio carbono (0.3-0.5% C) 30, 35, ..., 55 são usados após normalização, melhoria e endurecimento superficial. Esses aços possuem alta resistência com menor ductilidade, são utilizados para a fabricação de peças pequenas ou grandes que não necessitam de temperabilidade. Aços com alto teor de carbono possuem alta resistência e resistência ao desgaste. Molas e molas, arruelas de pressão, rolos de rolamento são feitos desses aços.

A resistência estrutural é um complexo de propriedades mecânicas que garante a operação confiável e de longo prazo do material sob suas condições operacionais. A resistência estrutural é a resistência do material de construção, levando em consideração fatores estruturais, metalúrgicos, tecnológicos e operacionais.

Quatro critérios são levados em consideração: a resistência do material, a confiabilidade e a durabilidade do material nas condições de operação desta estrutura. Força - a capacidade de um corpo de resistir à deformação e destruição.

Confiabilidade - a propriedade do produto para executar as funções especificadas e manter seu desempenho pelo período de tempo necessário. A confiabilidade de um projeto é sua capacidade de funcionar fora da situação de projeto. O principal indicador de confiabilidade é a margem de viscosidade do material, que depende da composição, temperatura, condições de carga, trabalho absorvido durante a propagação da trinca.

A resistência de um material à fratura frágil é a característica mais importante que determina a confiabilidade das estruturas.

Durabilidade - a propriedade do produto de manter o desempenho no estado limite (a impossibilidade de sua operação adicional). A durabilidade depende das condições de sua operação (são resistência ao desgaste durante o atrito e resistência ao contato, resistência do material ao desgaste superficial que ocorre durante o atrito de rolamento com deslizamento).

Os aços ferramenta são destinados à fabricação de ferramentas de corte, medição e matrizes de deformação a frio e a quente. As principais propriedades da ferramenta são resistência ao desgaste e resistência ao calor. Uma alta dureza superficial é necessária para a resistência ao desgaste da ferramenta, e o aço deve ser forte, duro e tenaz para reter a forma da ferramenta. A possível temperatura de aquecimento da ferramenta de corte depende da resistência ao calor do aço. Os aços-ferramenta de carbono são os mais baratos. Eles são usados principalmente para a fabricação de ferramentas de corte de baixa responsabilidade e para equipamentos de ferramentas de corte de tamanho regulamentado.

São produzidos aços carbono de alta qualidade (U1435, U74, U7) e de alta qualidade (U8A, U9A, U7A) (GOST 8-9). A letra U da marca mostra que o aço é carbono, e a figura mostra o teor médio de carbono em décimos de por cento. A letra A no final da marca mostra que o aço é de alta qualidade. Os aços carbono são entregues após recozimento para perlita granular. Devido à baixa dureza na condição de entrega (HB 187-217), os aços carbono são bem usinados e deformados, o que possibilita o uso de recartilhamento, entalhe e outros métodos de fabricação de ferramentas de alto desempenho.

As classes de aço U7, U8, U9 são submetidas a endurecimento e revenimento completos a 275-350 ° C para palheta; por serem mais viscosos, são utilizados para a produção de ferramentas de marcenaria, encanamento, serralheria e prensagem.

Os aços hipereutetóides U10, U11, U12 estão sujeitos a endurecimento incompleto. A ferramenta dessas marcas aumentou a resistência ao desgaste e alta dureza.

Os aços hipereutetóides são utilizados para a fabricação de ferramentas de medição (calibres), ferramentas de corte (limas, brocas) e matrizes a frio e de trefilação operando com baixas cargas.

A desvantagem dos aços carbono ferramenta é a perda de resistência quando aquecido acima de 200°C (falta de resistência ao calor). Ferramentas feitas desses aços são usadas para usinagem de materiais macios e com baixas velocidades de corte ou deformação.

29. Ferros fundidos brancos, cinzentos, semi, dúcteis e maleáveis

Formação de microestruturas, propriedades, rotulagem e aplicações

O ferro fundido é uma liga de ferro e carbono. O ferro fundido contém carbono - 2,14% e é um material mais barato que o aço. Tem um baixo ponto de fusão e boas propriedades de fundição. É possível fazer peças fundidas de formas mais complexas a partir de ferros fundidos do que de aços. A estrutura fundida do ferro fundido contém concentradores de tensão, que podem ser defeitos: porosidade, heterogeneidade de segregação, microfissuras.

Ferro fundido branco é nomeado após a fratura branca fosca. Todo o carbono neste ferro fundido está no estado ligado na forma de cementita. As transformações de fase procedem de acordo com o diagrama de estado (Fe - Fe_зCOM). Os ferros fundidos brancos, dependendo do teor de carbono, são: hipoeutéticos (perlita + ledeburita); eutético (ledeburita); hipereutético (cementita primária + ledeburita). Esses ferros fundidos possuem maior dureza devido ao teor de cementita; eles são muito frágeis e não são usados para a fabricação de peças de máquinas. Fundições de ferro fundido branco são usadas para produzir peças de ferro dúctil por recozimento de grafitização. Os ferros fundidos resfriados têm camadas superficiais (12-30 mm) com uma estrutura de ferro fundido branco e um núcleo de ferro fundido cinzento. A alta dureza da superfície permite que ela funcione bem contra a abrasão. Essas propriedades do ferro resfriado são usadas para fabricar rolos de laminação, rodas, esferas de laminação, sapatas de freio e outras peças.

Os ferros fundidos brancos cristalizam de acordo com o diagrama de estado do sistema de liga ferro-cementita. Um teor significativo de cementita dura e quebradiça na composição dos ferros fundidos brancos é a razão pela qual esses ferros fundidos são difíceis de usinar. São utilizados para a fundição de peças com posterior recozimento para ferro fundido maleável, bem como para a fundição de rolos laminadores e rodas de vagões.

O ferro fundido cinzento (técnico) recebeu o nome do tipo de fratura, que possui uma cor cinza. A grafite está presente na estrutura do ferro fundido cinzento. A estrutura do ferro fundido é composta por uma base metálica e grafite, e suas propriedades dependem desses dois componentes. A grafite tem baixas propriedades mecânicas.

Com o resfriamento lento das ligas ferro-carbono, o grafite é liberado.

Na indústria, são usados ferros fundidos cinzentos hipoeutéticos (fundição). O ferro fundido cinzento, que consiste em ferrita e grafite, é chamado ferrítico, pois sua base metálica é a ferrita. Todo o carbono na forma de grafite é liberado durante o resfriamento muito lento da liga; se a taxa de resfriamento durante a cristalização (primária e secundária) aumenta, não é liberada grafite, mas cementita. Ferro fundido, contendo até 1,2% de fósforo, é usado para fundição artística, tubos.

Marcação em ferro fundido cinzento. De acordo com o GOST, o ferro fundido em peças fundidas é marcado com as letras SCh com a adição de dois números: o primeiro número indica a resistência à tração (σ_пч) o segundo é o alongamento (σ) em%. Meio ferro fundido é composto de perlita, ledeburita e grafite lamelar. Combina duas cores - cinza e branco.

O ferro dúctil é um ferro fundido em que a grafite é esferoidal. Um aumento na resistência e ductilidade do ferro fundido é alcançado por modificação, o que garante a produção de grafite globular (esferoidal) em vez de lamelar. A superfície de grafite esferoidal tem uma relação menor com o volume e determina a maior continuidade da base metálica e a resistência do ferro fundido. Esta forma de grafite é obtida pela adição de magnésio (M) ou cério (Ce) ao ferro fundido líquido.

O ferro dúctil tem uma base ferrítica ou perlítica. O ferro fundido ferrítico aumentou a ductilidade.

De acordo com o GOST, o ferro fundido é designado por números: o primeiro número indica a resistência à tração (σ_пч), o segundo é o alongamento (σ) em%. Uma resistência ainda maior é alcançada modificando o ferro fundido ligado.

O ferro dúctil é utilizado no lugar do aço para a fabricação de peças de máquinas, equipamentos de forjamento e prensagem operando em mancais a altas e altas pressões; virabrequins, engrenagens, acoplamentos e em substituição ao ferro dúctil para a fabricação de eixos traseiros-automóveis.

Ferro fundido maleável - ferro fundido em flocos de grafite, o nome de código para ferro fundido macio e dúctil, que é obtido a partir de ferro fundido branco por tratamento térmico especial; não é submetido a forjamento, possui alta plasticidade. O ferro dúctil consiste em uma base de aço e contém carbono na forma de grafite. O grafite está na forma de inclusões de forma arredondada, localizadas isoladas umas das outras e a base metálica é menos separada, e a liga possui uma tenacidade e plasticidade significativas.

As propriedades do ferro dúctil dependem do tamanho das inclusões de grafite (quanto menores essas inclusões, mais forte o ferro fundido), mas são determinadas pela estrutura de sua base metálica, que pode ser ferrítica, perlítica ou mista.

Dependendo da composição do ferro fundido e do método de tratamento térmico, são obtidos dois tipos de ferro dúctil: coração negro e coração branco. O ferro fundido maleável é um material mais barato, possui boas propriedades mecânicas e é utilizado na engenharia agrícola, na indústria automotiva, na construção de automóveis e na construção de máquinas-ferramenta.

30. O papel do tratamento térmico na melhoria da qualidade dos materiais estruturais

Os principais pré-requisitos para obter o conjunto necessário de propriedades mecânicas e outras para ligas estruturais são estabelecidos durante seu desenvolvimento e fundição.

A implementação das propriedades exigidas é realizada em etapas subsequentes de processamento, com o objetivo de fornecer à liga não apenas a forma e as dimensões previstas no desenho, mas também uma estrutura interna racional, que deve ser entendida como a fase estrutural estrutura de composição e discordância, da qual depende diretamente o complexo de propriedades necessárias. As etapas mais importantes do processamento da liga são o tratamento térmico e o endurecimento da superfície. O tratamento térmico fornece um determinado nível de propriedades em todo o volume da peça e o endurecimento da superfície - apenas em certas áreas mais carregadas e fortemente desgastadas na superfície da peça.

As regras básicas para o tratamento térmico foram desenvolvidas por D.K. Chernov e complementado por A.A. Bochvarov, G. V. Kurdyumov, A. P. Gulyaev.

O tratamento térmico é entendido como um conjunto de operações de aquecimento e resfriamento de uma liga, realizadas de acordo com um determinado regime, a fim de alterar sua estrutura e obter as propriedades desejadas. A base do tratamento térmico é a mudança na composição da fase estrutural e na estrutura de deslocamento da liga, que pode ser alcançada usando fatores-chave como a presença de transformações alotrópicas ou a solubilidade mútua limitada dos componentes, dependendo da temperatura. .

Todos os tipos de tratamento térmico existentes destinados a alterar significativamente a estrutura de fase e deslocamento das ligas e obter um conjunto ideal de propriedades operacionais são baseados no uso de um dos fatores acima. Na sua ausência, apenas resultados muito limitados podem ser obtidos por tratamento térmico. Os dois tipos mais comuns de tratamento térmico. Uma delas baseia-se na utilização das especificidades das transformações em ligas devido à presença de transformações alotrópicas nelas, e a outra baseia-se na solubilidade variável dos componentes entre si durante o aquecimento e resfriamento.

Em ambos os casos, a base fundamental da tecnologia de tratamento térmico, que garante os resultados esperados, é o seu modo. Inclui os seguintes elementos: temperatura de aquecimento, taxa de aquecimento a uma determinada temperatura, tempo de permanência nessa temperatura e taxa de resfriamento.

O tratamento térmico pode ser preliminar e final. O tratamento térmico preliminar é usado nos casos em que o material precisa ser preparado para outras influências tecnológicas - pressão, corte, etc. O tratamento térmico final é usado para preparar as propriedades do material acabado.

Os valores específicos que caracterizam cada um dos elementos do modo de tratamento térmico dependem da composição química da liga que está sendo processada, do tamanho da peça e da finalidade do tipo de tratamento térmico que está sendo realizado. Variando esses valores, pode-se alterar significativamente as estruturas de fase e discordância da liga e conferir as propriedades desejadas a ela.

A natureza das transformações que ocorrem na liga e a própria possibilidade de obter a estrutura necessária após o tratamento térmico dependem da temperatura de aquecimento. É selecionado dependendo da composição química da liga e da finalidade do tratamento térmico.

A taxa de aquecimento é escolhida de forma a garantir perdas mínimas de tempo de aquecimento e, ao mesmo tempo, seu valor deve excluir a ocorrência de tensões térmicas perigosas na peça que podem levar ao empenamento e trincas da peça, o que é observado quando o aquecimento é muito rápido.

A taxa de aquecimento depende da condutividade térmica da liga processada, que, por sua vez, é determinada por sua composição química. Com a complicação da composição, a condutividade térmica se deteriora. Portanto, o aquecimento de ligas de composição desfavorável a certas temperaturas é realizado muito lentamente e depois acelerado.

O tempo de retenção da peça ao atingir a temperatura especificada deve ser suficiente para o seu aquecimento desde a superfície até o núcleo na maior seção, bem como para a completa finalização na liga daquelas transformações de fase estrutural que têm natureza de difusão, que deve ocorrer nele a uma dada temperatura.

A taxa de resfriamento durante o tratamento térmico é um elemento muito importante do regime, do qual dependem as características da fase e da estrutura de discordâncias adquiridas pela liga. Deve ser suficiente para que ocorram as transformações necessárias na liga, mas não muito grande para evitar tensões térmicas e de fase perigosas que podem causar trincas ou deformações (empenamento) da peça.

O tratamento térmico é usado para melhorar os materiais estruturais, em particular o aço. O tempo de tratamento térmico depende diretamente do tamanho dos materiais e peças processados.

31. O uso de tratamento térmico na tecnologia de produção de peças em bruto e produtos de materiais estruturais

O processo mais característico e bem estudado é o tratamento térmico do aço. Este processo é baseado na presença de transformações alotrópicas nele, que ocorrem durante o aquecimento e resfriamento na região de certas temperaturas críticas. Processos de fase estrutural controlados em aço, que fornecem a fase necessária e a estrutura de discordância, ocorrem devido à presença de alotropia.

A resistência estrutural é um certo conjunto de propriedades mecânicas que garante uma operação confiável e de longo prazo do material sob suas condições operacionais. Resistência estrutural é a resistência do material estrutural, levando em consideração fatores estruturais, metalúrgicos, tecnológicos e operacionais, ou seja, este é um conceito complexo. Acredita-se que pelo menos quatro critérios devem ser levados em consideração: a rigidez da estrutura, a resistência do material, a confiabilidade e a durabilidade do material nas condições de operação dessa estrutura.

Rigidez estrutural. Para muitos elementos estruturais de potência - pórticos, longarinas, placas planas, cascas cilíndricas, etc. - a condição que determina seu desempenho é a rigidez local ou geral (estabilidade), determinada por sua forma estrutural, esquema de estado de tensão, etc., bem como propriedades do material.

Um indicador da rigidez de um material é o módulo de elasticidade longitudinal E (módulo de rigidez) - uma característica estruturalmente insensível que depende apenas da natureza do material. Dentre os principais materiais estruturais, o aço apresenta o maior valor do módulo E, enquanto as ligas de magnésio e a fibra de vidro apresentam o menor valor. No entanto, a avaliação desses materiais muda significativamente quando se leva em conta sua densidade e se utiliza os critérios de rigidez e estabilidade específicas.

Quando avaliados de acordo com esses critérios, selecionados de acordo com a forma e o estado de tensão, em muitos casos o material mais favorável são as ligas de magnésio e os plásticos reforçados com fibra de vidro, os menos vantajosos são os aços carbono e ligas.

Força - a capacidade de um corpo de resistir à deformação e destruição. A maioria das especificações de resistência são determinadas por testes de tração estática.

Essas características dependem da estrutura e do tratamento térmico.

Ao avaliar a resistência real de um material estrutural, deve-se levar em consideração as características de plasticidade, a viscosidade do material, pois esses indicadores determinam principalmente a possibilidade de fratura frágil.

Isso também se aplica a materiais de alta resistência, que, tendo alta resistência, são propensos a fraturas frágeis.

Confiabilidade - a propriedade do produto para executar as funções especificadas, mantendo seu desempenho dentro dos limites especificados pelo período de tempo necessário ou pelo tempo de operação necessário. A confiabilidade de uma estrutura é também sua capacidade de funcionar fora da situação de projeto, por exemplo, para suportar cargas de choque. O principal indicador de confiabilidade é a margem de viscosidade do material, que depende da composição, temperatura (limiar de fragilidade a frio), condições de carregamento, trabalho absorvido durante a propagação da trinca.

A resistência de um material à fratura frágil é a característica mais importante que determina a confiabilidade das estruturas.

Durabilidade - a propriedade do produto de manter o desempenho no estado limite (a impossibilidade de sua operação adicional).

A durabilidade da estrutura depende das condições de seu trabalho. Em primeiro lugar, são a resistência ao desgaste durante o atrito e a força de contato (resistência do material ao desgaste superficial que ocorre durante o atrito de rolamento com deslizamento). Além disso, a durabilidade do produto depende do limite de resistência, que por sua vez depende do estado da superfície e da resistência à corrosão do material.

Durante o tratamento térmico dos materiais, são utilizados equipamentos especiais: fornos elétricos, fornos de chama a gás e de elevador, tanques de endurecimento, banhos de sal, etc.

Os principais tipos de tratamento térmico: volumétrico, superficial, endurecimento local; normalizado, homogeneização, recozimento por recristalização, tratamento químico-térmico e tratamento por aquecimento a laser; endurecimento por campo de pulso elétrico; tratamento térmico ao aplicar deformação plástica, bem como tratamento a frio.

Aços estruturais são aços usados na produção de várias peças de máquinas e quaisquer estruturas. Aqueles aços que são usados na construção de estruturas ou estruturas são chamados de aços de construção. Os aços estruturais incluem aços ligados e aços carbono.

Na engenharia mecânica são amplamente utilizados os aços liga estrutural GOST 4543-71, que são: cromo, manganês, cromo-silício, cromo-silício-manganês, cromo-níquel, etc. Dependendo das características técnicas, esses aços são divididos em cementação aços, aços para nitretação, aços melhorados por tratamento térmico, aços temperados ao ar, etc.

32. Recozimento de 1º tipo. Cristalização fora do equilíbrio

Este tipo de tratamento térmico é possível para quaisquer metais e ligas. Sua implementação não se deve a transformações de fase no estado sólido. O aquecimento durante o recozimento do 1º tipo, aumentando a mobilidade dos átomos, elimina parcial ou completamente a heterogeneidade química, reduz as tensões internas, ou seja, contribui para obter um estado mais equilibrado. Durante esse recozimento, a temperatura de aquecimento e o tempo de permanência nessa temperatura são de importância primordial, pois são esses parâmetros que determinam a taxa de processos que eliminam desvios do estado de equilíbrio. A taxa de aquecimento e resfriamento para recozimento do 1º tipo é de importância secundária.

Distinguem-se as seguintes variedades de recozimento do 1º tipo: recozimento por difusão (homogeneização) é usado para eliminar a heterogeneidade química que ocorre durante a cristalização da liga (segregação dendrítica).

O alinhamento da composição química ocorre devido a processos de difusão, cuja taxa depende da temperatura.

O recozimento de recristalização é usado após a deformação plástica a frio (trabalho a frio por pressão) para remover o encruamento e obter um estado de equilíbrio da liga. Como resultado da recristalização, novos grãos são formados no metal deformado, as tensões são aliviadas e a plasticidade do metal é restaurada.

Recozimento para aliviar as tensões que ocorrem durante o forjamento, soldagem, fundição, que podem causar empenamento, ou seja, alteração na forma, tamanho e até destruição dos produtos.

cristalização fora do equilíbrio. O processo de difusão ocorre lentamente, portanto, sob condições reais de resfriamento, a composição dentro de cada cristal e diferentes cristais não tem tempo para se igualar e não será a mesma.

Se a decomposição de uma solução sólida for possível durante o resfriamento, o diagrama de estado mostra o início desse processo no resfriamento mais lento.

Com o aumento da taxa de resfriamento, a temperatura na qual a precipitação da fase em excesso começa diminui, a quantidade da fase precipitada diminui e, quando uma taxa de resfriamento mais alta é determinada, a solução sólida sem precipitação é completamente superresfriada até a temperatura ambiente.

Ao ajustar a taxa de resfriamento, é possível atingir vários graus de decomposição até sua completa supressão.

Tais soluções supersaturadas são instáveis.

Se a mobilidade térmica dos átomos da solução super-resfriada for insuficiente, então o estado de supersaturação pode persistir indefinidamente.

Caso contrário, com o tempo, ocorrerá uma decomposição gradual da solução supersaturada com a liberação de uma fase em excesso. Este processo irá acelerar à medida que a temperatura aumenta.

As fases secundárias, que são formadas em alta temperatura, durante o resfriamento lento da solução sólida ou alto aquecimento secundário da solução sólida temperada (supersaturada), não são apenas maiores em tamanho, mas não estão relacionadas à fase mãe. A camada de átomos pertencentes à fase antiga faz fronteira com a camada de átomos que pertencem à rede da nova fase.

Para o caso de precipitação a baixa temperatura, a nova fase β é orientada de uma certa maneira em relação à inicial, de modo que a camada limite de átomos pertença igualmente a ambas as redes.

Tal articulação de redes cristalinas é chamada de coerente. Na interface com acoplamento coerente, as tensões surgem e permanecem quanto maiores, quanto maior for a diferença na estrutura (no plano da interface) das redes conjugadas.

Se a temperatura da liga for aumentada, devido a um aumento na mobilidade térmica dos átomos e à presença de tensões nos limites de fase, a ligação coerente se rompe (o fenômeno da quebra de coerência), as fases metaestáveis passam para um β estável Os cristais lamelares da fase β crescem, tendendo a ter uma forma arredondada. Quando esses processos estiverem completos, a estrutura e a composição das fases serão as mesmas do caso de resfriamento lento.

O processo de fixação do estado instável por resfriamento rápido é chamado de têmpera, e o processo subsequente de aproximação gradual do estado de equilíbrio (por aquecimento ou longa exposição) é chamado de revenimento e envelhecimento. Uma mudança tão diversa na estrutura, alcançada por graus variados de aproximação da liga ao estado de equilíbrio, leva a uma mudança diversificada nas propriedades, razão pela qual o uso generalizado do tratamento térmico, baseado nos processos de não equilíbrio cristalização.

As ligas são substâncias compostas por dois ou mais elementos da tabela periódica. Eles são obtidos por sinterização ou fusão. Um componente é uma substância que forma uma liga.

Uma fase é uma parte espacialmente limitada e distinta de um sistema que possui sua própria rede cristalina e suas próprias propriedades. Substâncias homogêneas têm uma fase, enquanto substâncias heterogêneas têm várias fases.

Estrutura - a estrutura do metal, na qual é possível distinguir entre fases individuais, sua forma, tamanho e posição relativa. A estrutura afeta as propriedades.

O estado de equilíbrio é quando na liga todas as fases inerentes a este sistema são formadas. Este estado é assegurado pelo resfriamento lento; é possível distinguir os tamanhos e formas das fases.

Estado de não equilíbrio - o processo de formação e separação de fases não terminou, é formado durante o resfriamento rápido.

33. Recozimento de homogeneização, mudança na estrutura e propriedades durante o recozimento de homogeneização. Endurecimento com transformação polimórfica. Endurecimento sem transformação polimórfica

Recozimento - operações de aquecimento e resfriamento lento do aço com o objetivo de equalizar a composição química, obter uma estrutura de equilíbrio, aliviar tensões.

O recozimento é usado para obter uma estrutura de equilíbrio, portanto, durante o recozimento, as peças são resfriadas lentamente. Aços de carbono - a uma taxa de 200 °C / h, aços de liga - 30-100 °C / h.

O recozimento por difusão (homogeneização) é usado para eliminar a segregação (nivelamento da composição química). Baseia-se na difusão. Nesse caso, a composição é nivelada e os carbonetos em excesso são dissolvidos. Esse recozimento é realizado em alta temperatura com longa exposição. O recozimento homogeneizador é aplicado a aços ligados. Isso é explicado pelo fato de que a taxa de difusão do carbono dissolvido na austenita pelo método intersticial é várias ordens de grandeza maior do que a taxa de difusão dos elementos de liga que são dissolvidos na austenita pelo método de substituição. A homogeneização dos aços carbono ocorre praticamente no processo de seu aquecimento. Modo de recozimento de homogeneização: aquecimento a uma temperatura de 1050-1200 °C, o tempo de espera é de 8 a 10 horas. A temperatura de homogeneização deve ser alta o suficiente, mas a queima excessiva e o derretimento dos grãos não devem ser permitidos. Quando queimado, o oxigênio do ar se combina com as partículas de metal, formam-se conchas de óxido que separam os grãos. O superaquecimento no metal não pode ser eliminado. Metal queimado é o casamento final. O recozimento por difusão geralmente resulta em grãos grosseiros, que devem ser corrigidos pelo subseqüente recozimento completo.

O recozimento completo está associado à recristalização de fase e refinamento de grão. O aço no estado de equilíbrio contém perlita e é o mais dúctil. O objetivo do recozimento completo é melhorar a estrutura do aço para facilitar o processamento posterior por corte, estampagem ou endurecimento, obtendo uma estrutura de equilíbrio de granulação fina na peça acabada.

Tipos (métodos) de recozimento completo: recozimento (normal e isotérmico) em perlita lamelar (inclusões de cementita na forma de placas) e recozimento em perlita granular (inclusões de cementita na forma de grãos).

Ao recozir em perlita lamelar, os blanks são resfriados junto com o forno, na maioria das vezes com fornecimento parcial de combustível, de modo que a taxa de resfriamento esteja na faixa de 10 a 20 ° C por hora.

O recozimento atinge o refinamento do grão. Uma estrutura de granulação grossa é obtida durante o endurecimento do aço devido ao livre crescimento dos grãos, como resultado do superaquecimento do aço; tal estrutura causa uma diminuição nas propriedades mecânicas das peças.

Endurecimento com transformação polimórfica. Endurecimento sem transformação polimórfica

A têmpera é um tratamento térmico no qual o aço adquire uma estrutura de não equilíbrio, que se expressa principalmente no aumento da dureza do aço. O endurecimento inclui: tratamento térmico para sorbitol, trostita e martensita. O grau de desequilíbrio dos produtos de endurecimento aumenta com o aumento da taxa de resfriamento e aumenta de sorbita para martensita.

A vantagem do verdadeiro endurecimento é a possibilidade de obter produtos da martensita devido ao revenimento posterior de produtos com conjuntos de propriedades que não podem ser obtidas por outros tipos de tratamento térmico.

O verdadeiro endurecimento tem sido amplamente utilizado como pré-tratamento antes do revenimento.

A taxa de têmpera crítica é importante. A temperabilidade do aço depende disso, ou seja, a capacidade de ser endurecido até uma certa profundidade. A taxa crítica de endurecimento depende da estabilidade da austenita, que é determinada pela quantidade de carbono e elementos de liga dissolvidos nela. A introdução de carbono e elementos de liga no aço aumenta a temperabilidade, que é avaliada usando amostras cilíndricas de acordo com a profundidade da camada de semi-martensita nelas. A camada semimartensítica de aço contém 50% de M e 50% de T.

Os principais parâmetros para o endurecimento são a temperatura de aquecimento e a taxa de resfriamento. A temperatura de aquecimento para aços é determinada a partir de diagramas de estado, a taxa de resfriamento é determinada a partir de diagramas da decomposição isotérmica da austenita.

O tempo de aquecimento depende do tamanho da peça e da condutividade térmica do aço, determinada experimentalmente.

Um dos objetivos da liga de aços estruturais é reduzir a taxa crítica de têmpera e obter através da temperabilidade das peças feitas a partir deles durante a têmpera não apenas em água, mas também em meios de resfriamento mais macios. O nível de tensões térmicas e de fase e a probabilidade de formação de trincas na peça dependem da nitidez do meio de resfriamento. Em conexão com o acima, ao temperar, os meios de têmpera macios são preferidos. Ao endurecer uma ferramenta de corte feita de aço de alto carbono, para reduzir as tensões internas, é utilizado o resfriamento em dois ambientes.

Para aços de alto carbono, e especialmente para aços com um teor suficientemente alto de elementos de liga, o ponto M fica abaixo da temperatura ambiente e muitas vezes abaixo de 0 °C. A este respeito, durante o endurecimento convencional, muita austenita residual é retida neles. Sua presença reduz a dureza do aço endurecido e sua condutividade térmica, o que é especialmente indesejável para uma ferramenta de corte.

Ao longo do tempo, a austenita residual sofre transformações de fase, levando a uma mudança nas dimensões do produto. Isso é extremamente inaceitável para uma ferramenta de medição (grampos, plugues).

34. Alterações na microestrutura e propriedades mecânicas de metais durante o aquecimento após trabalho a quente e a frio por pressão

O processamento de metais por pressão é baseado em sua capacidade de se deformar plasticamente sob certas condições como resultado de forças externas que atuam sobre um corpo deformável (peça).

Se durante as deformações elásticas o corpo deformável restaura completamente sua forma e dimensões originais após a remoção das forças externas, então durante as deformações plásticas a mudança na forma e nas dimensões causada pela ação das forças externas persiste mesmo após o término dessas forças.

A deformação elástica é caracterizada pelo deslocamento dos átomos em relação uns aos outros por uma quantidade menor que as distâncias interatômicas e, após a remoção das forças externas, os átomos retornam à sua posição original. Sob deformações plásticas, os átomos são deslocados entre si por valores maiores que as distâncias interatômicas e, após a retirada das forças externas, não retornam à sua posição original, mas ocupam novas posições de equilíbrio.

Dependendo das condições de temperatura e velocidade de deformação, a deformação a frio e a quente são distinguidas.

A deformação a frio é caracterizada por uma mudança na forma dos grãos, que se alongam na direção do fluxo metálico mais intenso. Durante a deformação a frio, a mudança de forma é acompanhada por uma mudança nas propriedades mecânicas e físico-químicas do metal. Esse fenômeno é chamado de endurecimento (endurecimento). A mudança nas propriedades mecânicas é que durante a deformação plástica a frio, à medida que aumenta, as características de resistência aumentam, enquanto as características de plasticidade diminuem. O metal torna-se mais duro, mas menos dúctil. O endurecimento ocorre devido à rotação dos planos de deslizamento, aumento da distorção da rede cristalina no processo de deformação a frio (acumulação de deslocamentos nos contornos de grão). As mudanças introduzidas pela deformação a frio na estrutura e nas propriedades do metal não são irreversíveis. Eles podem ser eliminados, por exemplo, por tratamento térmico (recozimento). Nesse caso, ocorre um rearranjo interno, no qual, devido à energia térmica adicional, que aumenta a mobilidade dos átomos, novos grãos crescem de muitos centros no metal sólido sem transformações de fase, substituindo os grãos alongados e deformados. Como em um campo de temperatura uniforme a taxa de crescimento do grão é a mesma em todas as direções, os novos grãos que aparecem em vez dos deformados têm aproximadamente o mesmo tamanho em todas as direções. O fenômeno de nucleação e crescimento de novos grãos equiaxiais em vez de deformados e alongados, ocorrendo em determinadas temperaturas, é chamado de recristalização. Para metais puros, a recristalização começa a uma temperatura absoluta igual a 0,4 do ponto de fusão absoluto do metal. A recristalização prossegue a uma certa taxa, e o tempo necessário para a recristalização é tanto menor quanto maior for a temperatura de aquecimento da peça deformada. Em temperaturas abaixo da temperatura de início da recristalização, ocorre um fenômeno chamado rebote. Ao retornar (descansar), a forma e o tamanho dos grãos alongados e deformados não mudam, mas as tensões residuais são parcialmente removidas. Essas tensões surgem devido ao aquecimento ou resfriamento não uniforme (durante a fundição e tratamento de pressão), distribuição não uniforme de deformações durante a deformação plástica. As tensões residuais criam sistemas de forças mutuamente equilibradas e estão localizadas na peça de trabalho, não carregadas por forças externas. A remoção de tensões residuais durante o retorno quase não altera as propriedades mecânicas do metal, mas afeta algumas de suas propriedades físicas e químicas. A deformação a quente é uma deformação caracterizada pela relação entre as taxas de deformação e recristalização, em que a recristalização tem tempo para ocorrer em todo o volume da peça e a microestrutura após o tratamento de pressão é equiaxial, sem vestígios de endurecimento.

Para garantir as condições de deformação a quente, é necessário aumentar a temperatura de aquecimento da peça de trabalho com um aumento em sua taxa (para aumentar a taxa de recristalização).

Se o metal no final da deformação possui uma estrutura que não é completamente recristalizada, com traços de endurecimento, essa deformação é chamada de deformação a quente incompleta. A deformação a quente incompleta leva a uma estrutura heterogênea, uma diminuição nas propriedades mecânicas e na plasticidade.

Na deformação a quente, a resistência à deformação é cerca de 10 vezes menor do que na deformação a frio, e a ausência de endurecimento leva ao fato de que a resistência à deformação (resistência ao escoamento) muda ligeiramente durante o processo de conformação. Esta circunstância explica principalmente o facto de o trabalho a quente ser utilizado para o fabrico de peças de grande dimensão, uma vez que requer menos forças de deformação (equipamentos menos potentes).

Durante a deformação a quente, a plasticidade do metal é maior do que durante a deformação a frio.

A influência da deformação a frio nas propriedades do metal pode ser usada para obter as melhores propriedades de desempenho das peças, e o controle da mudança nas propriedades na direção necessária e pelo valor desejado pode ser alcançado escolhendo uma combinação racional de deformação a frio e a quente , bem como o número e os modos de tratamentos térmicos no processo de fabricação da peça.

35. Retorno, recristalização primária e coletiva. Recozimento de recristalização

Cerca de 10-15% de toda a energia gasta na deformação plástica é absorvida pelo metal e se acumula nele na forma de aumento da energia potencial dos átomos deslocados, tensões. O metal deformado está em um estado instável e de não equilíbrio. A transição para um estado mais equilibrado está associada a uma diminuição das distorções na rede cristalina, a remoção de tensões, que é determinada pela possibilidade de movimentação dos átomos. Em baixas temperaturas, a mobilidade do átomo é baixa e, no estado de endurecimento a frio, pode persistir indefinidamente.

Com o aumento da temperatura, a difusão dos átomos aumenta e os processos começam a se desenvolver no metal, levando-o a um estado mais equilibrado. Este é o fenômeno do retorno.

O primeiro estágio de retorno - descanso, é observado com baixo aquecimento. Durante o repouso, há diminuição do número de vagas, diminuição da densidade de deslocamentos e liberação parcial de tensões.

A segunda etapa do retorno é a poligonização, a divisão dos grãos em partes - polígonos (subgrãos).

A poligonização ocorre como resultado do deslizamento e da escalada das discordâncias, de modo que as discordâncias de mesmo sinal formam "paredes" que separam os grãos em polígonos. Em um estado poligonizado, um cristal tem menos energia que um deformado, e a formação de polígonos é um processo energeticamente favorável. A temperatura inicial da poligonização não é constante. A taxa de poligonização depende da natureza do metal, do grau de deformação anterior e do teor de impurezas. Ao retornar, não são observadas alterações perceptíveis na microestrutura, o metal mantém sua estrutura fibrosa. Neste caso, a dureza e a resistência são um pouco reduzidas e a ductilidade aumenta.

Recristalização. Quando aquecido a temperaturas suficientemente altas, a mobilidade dos átomos aumenta e ocorre o processo de recristalização.

A recristalização é o processo de formação e crescimento de novos grãos quando o metal trabalhado a frio é aquecido a uma certa temperatura. Este processo ocorre em duas etapas. Há recristalização primária (processamento) e coletiva.

A recristalização primária (processamento) consiste na formação de núcleos e no crescimento de novos grãos de equilíbrio com uma rede cristalina não distorcida. É mais provável que novos grãos apareçam nos limites dos blocos e grãos, deslizem pacotes dentro dos grãos, onde a rede metálica foi mais fortemente distorcida durante a deformação plástica. O número de novos grãos aumenta gradualmente e, em última análise, nenhum grão velho deformado permanece na estrutura.

Um metal deformado que está em um estado instável tende a entrar em um estado estável com a menor quantidade de energia livre. Este estado corresponde ao processo de formação de novos grãos com uma rede cristalina não distorcida. Nos locais onde a rede é mais distorcida e, consequentemente, menos estável, quando aquecidos, os átomos se movem, a rede é restaurada e surgem os núcleos de novos grãos de equilíbrio. Os núcleos de novos grãos também podem ser volumes (blocos) com a rede menos distorcida, onde os átomos se movem de volumes vizinhos com uma rede distorcida.

Recristalização coletiva - a segunda etapa do processo de recristalização consiste no crescimento de novos grãos formados. A força motriz da recristalização coletiva é a energia de superfície dos grãos. O crescimento de grãos é explicado pelo fato de que, na presença de um grande número de grãos pequenos, sua superfície total é muito grande, de modo que o metal possui um grande suprimento de energia superficial. Com o engrossamento dos grãos, o comprimento total de seus contornos torna-se menor, o que corresponde à transição do metal para um estado mais equilibrado.

Com o início da recristalização, ocorre uma mudança significativa nas propriedades do metal, oposta à mudança nas propriedades durante o endurecimento. A resistência do metal diminui. A plasticidade, viscosidade, condutividade térmica e outras propriedades aumentam, que diminuem durante o endurecimento.As propriedades do metal são muito influenciadas pelo tamanho dos grãos resultantes da recristalização. O tamanho do grão aumenta com o aumento do tempo de espera. Os grãos maiores são formados após uma leve deformação preliminar. Este grau de deformação é chamado de crítico.

Recozimento por recristalização. Este tipo de recozimento é realizado para eliminar o endurecimento do metal trabalhado a frio. O metal endurecido é muito duro e quebradiço, sua rede cristalina está em um estado de não equilíbrio, possuindo uma grande reserva de excesso de energia livre. Em metais fortemente endurecidos, devido à fusão de discordâncias nos locais de seu acúmulo, são observados defeitos perigosos - núcleos de trincas. Em alguns casos, o endurecimento deve ser removido. Isso requer aquecimento, o que estimula os processos de difusão. No entanto, o recozimento por recristalização é mais preferível devido à temperatura significativamente mais baixa e à duração muito mais curta de sua implementação, com praticamente os mesmos resultados.

36. Recozimento do segundo tipo. Recozimento e normalização de aços; modos e propósito de recozimento e normalização

O recozimento é o aquecimento e resfriamento lento do aço. Recozimento de segundo tipo - alterando a estrutura da liga para obter estruturas de equilíbrio; o recozimento do segundo tipo inclui recozimento completo, incompleto e isotérmico.

O recozimento por recristalização é baseado na recristalização de fase, ou seja, é o recozimento de segundo tipo. Seu principal objetivo é uma mudança completa na composição da fase. A temperatura de aquecimento e o tempo de espera devem fornecer as transformações estruturais desejadas, a taxa de resfriamento é escolhida de forma que as transformações de fase de difusão reversa tenham tempo para ocorrer. Após o recozimento, uma estrutura uniforme de grão fino é obtida, a dureza diminui, a ductilidade aumenta e o recozimento tipo II é usado como tratamento térmico preliminar e antes do processamento de peças de aço em máquinas-ferramentas.

Dependendo da temperatura de aquecimento, é feita uma distinção entre recozimento completo e incompleto.

O recozimento completo é usado para aço hipoeutetóide. Os produtos são aquecidos para garantir a recristalização completa - a transformação da estrutura original de ferrita-perlita em austenita. Sua finalidade é melhorar a estrutura do aço para facilitar o processamento posterior por corte, estampagem ou endurecimento, bem como obter uma estrutura de perlita de equilíbrio de grão fino na peça acabada.

O recozimento incompleto está associado à recristalização de fase, é usado após o trabalho a quente por pressão, quando a peça tem uma estrutura de grão fino.

Após o resfriamento, será obtida uma estrutura rugosa, composta por grandes grãos de ferrita e perlita. O aço tem baixa ductilidade. A produção de cementita granulada é promovida pela deformação plástica a quente que antecede o recozimento, na qual a rede de cementita é britada. O aço com cementita granular é melhor processado por ferramentas de corte e adquire uma boa estrutura após o endurecimento.

Para economizar tempo, é realizado o recozimento isotérmico. Durante o recozimento isotérmico, durante o processo de retenção, a temperatura se iguala ao longo da seção transversal do produto. Isso contribui para uma estrutura mais uniforme e propriedades uniformes. Os aços de liga são submetidos a esse recozimento. Ao recozir aços ligados, não apenas a duração do aquecimento e retenção aumenta, mas também a duração do resfriamento. Os aços de alta liga são resfriados a uma taxa baixa devido à maior estabilidade da austenita ligada. Sua dureza permanece alta após o recozimento, o que prejudica a usinabilidade da ferramenta de corte.

A normalização é o tratamento térmico do aço, no qual o produto é aquecido ao estado austenítico e resfriado ao ar parado. A diferença entre normalização e recozimento total para aços hipoeutetóides está apenas na taxa de resfriamento. Como resultado da normalização, é obtida uma estrutura mais fina do eutetóide, as tensões internas são reduzidas, os defeitos que surgiram no processo de processamento anterior dos produtos são eliminados. A dureza e a resistência são maiores do que após o recozimento. A normalização é usada como uma operação intermediária que melhora a estrutura. As características deste tipo de tratamento térmico são a temperatura de aquecimento e resfriamento em ar parado. Esses recursos são devidos aos objetivos específicos da normalização. Com relação aos aços hipoeutetóides, especialmente os aços baixo carbono, a normalização em menor tempo e com maior simplicidade do modo de resfriamento permite obter os mesmos resultados que no recozimento.

O resfriamento ao ar fornece um alto grau de superresfriamento da austenita do que durante o recozimento, seus produtos de decomposição acabam sendo mais dispersos e a densidade de discordâncias geradas se aproxima de 108 cm2, resultando em uma estrutura de aço de grão fino mais favorável com maior propriedades de resistência podem ser obtidas por normalização.

Em vários casos, quando as propriedades de resistência aumentadas não são exigidas do material do produto, a normalização substitui o endurecimento. Isto é especialmente verdadeiro para peças feitas de aço de baixo carbono, para as quais o uso de endurecimento é excluído devido à velocidade crítica de endurecimento muito alta. Durante a normalização de aços hipereutetóides, devido à separação acelerada do excesso de cementita (secundária) da austenita, não se forma uma rede de cementita indesejável ao redor dos grãos de perlita. Nesse sentido, um dos objetivos da normalização é a destruição da rede mencionada em aços hipereutetóides.

O recozimento de recristalização (recristalização) do aço ocorre a temperaturas de 500-550 °C; recozimento para aliviar tensões internas - a temperaturas de 600-700 °. Esses tipos de recozimento aliviam tensões internas em peças fundidas provenientes do resfriamento desigual de suas peças e em peças processadas por pressão em temperaturas abaixo da crítica.

O recozimento por difusão é usado nos casos em que a segregação intracristalina é observada no aço. O alinhamento da composição nos grãos de austenita é obtido pela difusão do carbono e outras impurezas no estado sólido, juntamente com a autodifusão do ferro. Como resultado, o aço se torna homogêneo em composição (homogêneo), então o recozimento por difusão também é chamado de homogeneização.

A temperatura de homogeneização deve ser alta o suficiente, mas os grãos não devem ser queimados.

37. Férias de aços. Transformações no aço durante o revenimento, mudanças na microestrutura e propriedades

A têmpera é a operação de aquecimento do aço endurecido para reduzir as tensões residuais e conferir um conjunto de propriedades mecânicas necessárias para a operação a longo prazo do produto. A têmpera é realizada aquecendo as peças endurecidas por martensita a uma temperatura abaixo da crítica. Neste caso, dependendo da temperatura de aquecimento, podem ser obtidos os estados de martensita, troostita ou sorbita revenida. Esses estados diferem dos estados de endurecimento em estrutura e propriedades: durante o endurecimento, a cementita (em troostita e sorbita) é obtida na forma de placas alongadas, como na perlita lamelar. E quando você o deixa, acaba sendo granular ou pontilhado, como na perlita granular.

Durante o revenimento do aço endurecido a martensita, ocorrem transformações no mesmo, que levam à decomposição da martensita e à formação de uma composição de fases estruturais em equilíbrio. A intensidade e o resultado dessas transformações dependem da temperatura de revenimento. A temperatura de revenimento é escolhida dependendo da finalidade operacional funcional do produto.

Ao longo de muitos anos de prática operacional e de produção, três grupos principais de produtos foram desenvolvidos que exigem seus complexos específicos "próprios" de propriedades de viscosidade e resistência para sua operação bem-sucedida.

O primeiro grupo: ferramentas de medição de corte e matrizes para estampagem a frio. Seu material requer alta dureza e uma pequena margem de viscosidade. O segundo grupo consiste em molas e molas, cujo material requer uma combinação de alto limite elástico com uma viscosidade satisfatória. O terceiro grupo inclui a maioria das peças de máquinas que sofrem cargas estáticas e especialmente dinâmicas ou cíclicas. Com a operação de longo prazo dos produtos, seu material requer uma combinação de propriedades de resistência satisfatórias com viscosidade máxima.

Dependendo da temperatura de aquecimento, existem três tipos de têmpera: baixa temperatura (baixa), média temperatura (média) e alta temperatura (alta). A vantagem da estrutura de pontos é uma combinação mais favorável de resistência e ductilidade.

No revenimento baixo (aquecimento a uma temperatura de 200-300°C), a martensita permanece principalmente na estrutura do aço, além disso, inicia-se a separação de carbonetos de ferro de uma solução sólida de carbono em ferro XNUMX e sua acumulação inicial em pequenos grupos . Isso acarreta uma ligeira diminuição na dureza e um aumento nas propriedades plásticas e dúcteis do aço, bem como uma diminuição nas tensões internas nas peças.

Para revenimento baixo, as peças são mantidas por um certo tempo, geralmente em banhos de óleo ou sal. A baixa têmpera é usada para cortar, medir ferramentas e engrenagens. Com revenimento médio e alto, o aço do estado de martensita passa para o estado de troostita ou sorbita. Quanto maior o revenido, menor a dureza do aço revenido e maior sua ductilidade e tenacidade. Com o alto revenimento, o aço recebe uma combinação de propriedades mecânicas, aumento da resistência, ductilidade e tenacidade, portanto, o revenido do aço após a têmpera para martensita é chamado de matriz de forjamento, molas, molas e revenido é para muitas peças submetidas a altas estresses.

Para alguns tipos de aço, o revenimento é realizado após a normalização. Isso se refere ao aço hipoeutetóide de liga de grão fino (especialmente níquel) com alta tenacidade e, portanto, baixa usinabilidade por ferramenta de corte. Para melhorar a usinabilidade, o aço é normalizado a uma temperatura elevada (até 950-970 °), como resultado, adquire uma grande estrutura (o que determina melhor usinabilidade) e, ao mesmo tempo, maior dureza (devido à baixa taxa crítica de endurecimento do aço níquel). A fim de reduzir a dureza, este aço é temperado alto.

O propósito do revenimento não é simplesmente eliminar tensões internas no aço endurecido. Em baixo revenimento, a martensita é parcialmente liberada dos átomos de carbono que supersaturam sua rede, e a martensita revenida é baseada em uma solução sólida supersaturada de carbono.

O revenimento de temperatura média (média) é realizado a uma temperatura de 350 a 450 °C. Com tal aquecimento, a decomposição da martensita é completada, levando à formação de ferrita e cementita normais em composição e estrutura interna. Devido à intensidade insuficiente dos processos de difusão, o tamanho de grão das fases resultantes acaba sendo muito pequeno.

A têmpera de alta temperatura (alta) é realizada a 500-650 °C. Nessas condições de aquecimento, com o aumento dos processos de difusão, ocorre a formação de grãos maiores de ferrita e cementita, acompanhados de diminuição da densidade de discordâncias e eliminação completa das tensões residuais.

O produto de degradação da martensita, denominado sorbita de têmpera, obtido em alto revenimento, possui a maior viscosidade para o aço.

Tal complexo é ideal para peças de máquinas sujeitas a cargas dinâmicas. Devido a esta vantagem, o tratamento térmico combinando têmpera e revenimento alto tem sido chamado de melhoria.

38. Tratamento químico-térmico do aço. Finalidade, tipos e padrões gerais. Saturação por difusão de ligas com metais e não metais

Tratamento químico-térmico (CHT) - processamento com uma combinação de efeitos térmicos e químicos para alterar a composição, estrutura e propriedades da camada superficial da peça na direção necessária, na qual a saturação da superfície do material metálico com o elemento correspondente ocorre (C, T, B, Al, Cr, Si, T, etc.) por sua difusão no estado atômico do ambiente a alta temperatura.

O tratamento químico de metais e ligas, tanto para fins de endurecimento superficial quanto para proteção contra corrosão, aumenta a confiabilidade e a durabilidade das peças das máquinas.

O CTO inclui as principais etapas inter-relacionadas:

1) a formação de átomos ativos em um meio saturante e sua difusão para a superfície do metal tratado;

2) átomos ativos formados por adsorção pela superfície de saturação;

3) difusão-movimento de átomos adsorvidos no interior do metal. O desenvolvimento do processo de difusão leva à formação de uma camada de difusão - o material da peça na superfície de saturação, que difere da inicial em composição química, estrutura e propriedades.

O material da parte sob a camada de difusão, não afetado pela ação do meio ativo saturante, é chamado de núcleo. A espessura total da camada de difusão é a menor distância da superfície de saturação ao núcleo. A espessura efetiva da camada de difusão é a distância mais curta da superfície de saturação à área medida, que difere pelo valor nominal limite estabelecido do parâmetro básico.

O parâmetro básico da camada de difusão é um parâmetro do material que serve como critério para alterar a qualidade em função da distância da superfície de saturação. A zona de transição da camada de difusão é a parte interna da camada de difusão adjacente ao núcleo, cujo comprimento é determinado pela diferença entre as espessuras total e efetiva.

Estágio XTO - difusão. Nos metais, durante a formação de soluções sólidas substitucionais, a difusão ocorre principalmente de acordo com o mecanismo de vacância. Na formação de soluções sólidas intersticiais, o mecanismo de difusão ao longo dos interstícios é realizado.

A cementação do aço - XTO, que consiste na saturação por difusão da camada superficial do aço com carbono quando aquecida em carburador, é realizada a 930-950°C, quando a austenita é estável, dissolvendo carbono em grandes quantidades.

Para cementação, são usados aços de baixo carbono e ligas. As peças são entregues para cementação após usinagem com tolerância de retificação.

Os principais tipos de rejunte são sólidos e gasosos. A cementação a gás é um processo tecnológico mais avançado do que a cementação sólida. No caso da cementação a gás, pode-se obter uma determinada concentração de carbono na camada; a duração do processo é reduzida; é fornecida a possibilidade de mecanização e automação completas do processo; simplifica o tratamento térmico das peças.

O tratamento térmico é necessário para: corrigir a estrutura e retificar o grão do núcleo e da camada cimentada; obter alta dureza na camada cimentada e boas propriedades mecânicas do núcleo. Após a cementação, o tratamento térmico consiste em dupla têmpera e revenimento. A desvantagem desse tratamento térmico é a complexidade do processo tecnológico, a possibilidade de oxidação e descarbonetação.

A operação final é o baixo revenimento a 160-180 °C, que transforma a martensita endurecida da camada superficial em martensita revenida, aliviando tensões e melhorando as propriedades mecânicas.

Nitretação do aço - XTO, que consiste na saturação por difusão da camada superficial do aço com nitrogênio quando aquecido em meio apropriado. A dureza da camada de aço nitretado é maior que a da cementada e é mantida quando aquecida a altas temperaturas (450-500 °C), enquanto a dureza da camada cementada, que tem estrutura martensítica, é mantida até 200 -225°C. A nitretação é frequentemente realizada a 500-600 °C.

Saturação por difusão de ligas com metais e não metais

Boride é a saturação da superfície de metais e ligas com boro para aumentar a dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. A boretação é aplicada em aços das classes perlítica, ferrítica e austenítica, metais refratários e ligas de níquel.

Siliconização. Como resultado da saturação da difusão da superfície com silício, a resistência à corrosão, resistência ao calor, dureza e resistência ao desgaste de metais e ligas aumentam.

Cromagem - saturação da superfície dos produtos com cromo. Ferros fundidos, aços de várias classes, ligas à base de níquel, molibdênio, tungstênio, nióbio, cobalto e materiais metalocerâmicos são submetidos à cromagem por difusão. A cromagem é realizada em câmaras de vácuo a 1420 °C.

A aluminização é um processo de saturação por difusão da superfície de produtos com alumínio para aumentar a resistência ao calor, à corrosão e à erosão. Ao aluminizar ferros e aços, observa-se uma diminuição gradual da concentração de alumínio ao longo da espessura da camada.

O objetivo do endurecimento da superfície é aumentar a dureza, resistência ao desgaste e limite de resistência da superfície das peças de trabalho. Ao mesmo tempo, o núcleo permanece viscoso e o produto percebe as cargas de choque.

39. Envelhecimento. Finalidade, alteração na microestrutura e propriedades das ligas durante o envelhecimento

O revenimento e o envelhecimento são tipos de tratamento térmico que alteram as propriedades das ligas endurecidas.

O termo revenimento é geralmente aplicado apenas às ligas que foram resfriadas com uma transformação polimórfica, e o termo envelhecimento é usado no caso de resfriamento sem transformação polimórfica (após esse resfriamento, uma solução sólida supersaturada é fixada).

O objetivo da têmpera do aço é melhorar suas propriedades. A têmpera do aço suaviza o efeito do endurecimento, reduz ou remove as tensões residuais, aumenta a tenacidade, reduz a dureza e a fragilidade do aço. A têmpera é realizada aquecendo as peças endurecidas por martensita a uma temperatura abaixo da crítica.

Em contraste com o revenimento após o envelhecimento, a resistência e a dureza aumentam e a ductilidade diminui.

O principal processo durante o envelhecimento é a decomposição de uma solução sólida supersaturada, que é obtida como resultado da têmpera.

Assim, o envelhecimento das ligas está associado a uma solubilidade variável da fase em excesso, e o endurecimento durante o envelhecimento ocorre como resultado de precipitados dispersos durante a decomposição de uma solução sólida supersaturada e as tensões internas resultantes.

Em ligas envelhecidas, precipitados de soluções sólidas supersaturadas ocorrem nas seguintes formas principais: placa fina (em forma de disco), equiaxial (geralmente esférico ou cúbico) e acicular. A energia das distorções elásticas é mínima para precipitados na forma de placas finas - lentes. O principal objetivo do envelhecimento é aumentar a resistência e estabilizar as propriedades.

É feita uma distinção entre envelhecimento natural, envelhecimento artificial e após deformação plástica.

O envelhecimento natural é um aumento espontâneo na resistência (e diminuição da ductilidade) de uma liga endurecida, que ocorre no processo de mantê-la à temperatura normal. O aquecimento da liga aumenta a mobilidade dos átomos, o que acelera o processo.

Soluções sólidas a baixas temperaturas geralmente se decompõem no estágio de formação de zona. Essas zonas são regiões dispersas que são enriquecidas com um componente em excesso. Eles mantêm a estrutura cristalina que a solução original tinha. As zonas são nomeadas após Guinier e Preston. Usando microscopia eletrônica, essas zonas podem ser observadas em ligas Al - Ag, que têm a forma de partículas esféricas com diâmetro de ~10 A. Spalavs Al-Cu têm placas de zona com espessura <10A.

O envelhecimento artificial é um aumento na força que ocorre durante a exposição a temperaturas elevadas. Se uma liga endurecida com a estrutura de uma solução sólida supersaturada for submetida a deformação plástica, isso acelera os processos que ocorrem durante o envelhecimento. Este tipo de envelhecimento é chamado de deformação. O tratamento térmico de ligas de alumínio consiste em dois ciclos - endurecimento e envelhecimento. O envelhecimento engloba todos os processos que ocorrem em uma solução sólida supersaturada - os processos que preparam a liberação e os processos de liberação. Uma transformação na qual ocorrem apenas processos de precipitação é chamada de endurecimento por precipitação.

Para a prática, o período de incubação é de grande importância - o tempo durante o qual os processos preparatórios são realizados na liga endurecida, o tempo durante o qual a liga endurecida mantém alta ductilidade. Isso possibilita a deformação a frio imediatamente após a têmpera.

Se apenas processos de precipitação ocorrem durante o envelhecimento, sem processos preparatórios complexos, esse fenômeno é chamado de endurecimento por precipitação.

O significado prático do fenômeno do envelhecimento das ligas é muito alto. Assim, após o envelhecimento, a resistência aumenta e a ductilidade do aço de baixo carbono diminui como resultado da precipitação dispersa em ferrita de cementita terciária e nitretos.

O envelhecimento é a principal maneira de endurecer as ligas de alumínio, algumas ligas de cobre e muitas ligas de alta temperatura e outras ligas. Atualmente, as ligas maraging estão sendo usadas cada vez mais amplamente.

Hoje, muitas vezes, em vez do termo "envelhecimento natural", é usado o termo "envelhecimento a baixa temperatura" e, em vez de "envelhecimento artificial" - "envelhecimento a alta temperatura". Os primeiros metais a serem endurecidos pelo envelhecimento foram as ligas de alumínio. O endurecimento foi realizado em temperaturas acima de 100 °C.

Diferenças no processo de decomposição são observadas em diferentes intervalos de temperatura. Portanto, para obter um conjunto ótimo de propriedades nas ligas, utiliza-se o envelhecimento complexo, que ocorre em uma determinada sequência, em baixas e altas temperaturas.

O envelhecimento das ligas, causado pelo processo de decomposição de uma solução sólida saturada, é o mais importante. Após o resfriamento das ligas, surge um estado de supersaturação da solução sólida. Isso se deve ao fato de que em altas temperaturas a solubilidade de impurezas e componentes de liga aumenta.

40. Classificação e marcação de aços ligados. Influência dos elementos de liga nas transformações, microestrutura e propriedades do aço; Princípios para o desenvolvimento de ligas de aço

O aço-liga é um aço que contém, além do carbono e impurezas convencionais, outros elementos que melhoram suas propriedades.

Cromo, níquel, manganês, silício, tungstênio, molibdênio, vanádio, cobalto, titânio, alumínio, cobre e outros elementos são usados para a liga de aço. O manganês é considerado um componente de liga apenas quando seu teor em aço é superior a 1% e silício - quando o teor é superior a 0,8%.

São introduzidos elementos de liga no aço, que alteram suas propriedades mecânicas, físicas e químicas, e, dependendo da finalidade do aço, são introduzidos nele elementos que alteram as propriedades na direção correta.

O aço de liga de muitos graus adquire altas propriedades físicas e mecânicas somente após o tratamento térmico.

De acordo com a quantidade total de elementos de liga contidos no aço, ele é dividido em baixa liga (teor total de elementos de liga é inferior a 2,5%), liga média (de 2,5 a 10%) e alta liga (mais de 10 %).

A desvantagem do aço carbono é que este aço não possui a combinação desejada de propriedades mecânicas. Com um aumento no teor de carbono, a resistência e a dureza aumentam, mas ao mesmo tempo, a ductilidade e a tenacidade diminuem drasticamente e a fragilidade aumenta. As ferramentas de corte de aço carbono são muito frágeis e inadequadas para operações de carga de impacto na ferramenta.

O aço carbono muitas vezes não atende aos requisitos de construção responsável de máquinas e fabricação de ferramentas. Nesses casos, é necessário usar aço ligado.

Os elementos de liga em relação ao carbono são divididos em dois grupos:

1) elementos que formam compostos químicos estáveis com carbonetos de carbono (cromo, manganês, molibdênio, tungstênio, titânio); carbonetos podem ser simples (por exemplo, Cr₄ C) ou ligas complexas (por exemplo, ((FeСг)7С3); sua dureza é geralmente maior que a dureza do carboneto de ferro e sua fragilidade é menor;

2) elementos que não formam carbonetos na presença de ferro e estão incluídos na solução sólida - ferrita (níquel, silício, cobalto, alumínio, cobre).

Por nomeação, o aço ligado é dividido em estrutural, ferramenta e aço com propriedades físicas e químicas especiais.

O aço estrutural é utilizado para a fabricação de peças de máquinas; divide-se em cimentado (sujeito a cimentação) e melhorado (sujeito a beneficiamento - têmpera e revenido). Os aços com propriedades especiais incluem: inoxidável, resistente ao calor, resistente a ácidos, resistente ao desgaste, com propriedades magnéticas e elétricas especiais.

Marcação de acordo com GOST para a designação de elementos de liga: X - cromo, H - níquel, G - manganês, C - silício, B - tungstênio, M - molibdênio, K - cobalto.

Para aços ligados estruturais, é adotada uma marcação, segundo a qual os dois primeiros dígitos mostram o teor médio de carbono em centésimos de um por cento, as letras mostram a presença dos elementos de liga correspondentes e os números após as letras mostram a porcentagem desses componentes no aço. Se não houver nenhum número após qualquer letra, o conteúdo desse elemento no aço é aproximadamente igual a 1%. Se o valor estiver faltando, então o aço contém cerca ou mais de 1% de carbono.

Para designar o aço de alta qualidade, a letra A é adicionada no final da marcação.O aço de alta qualidade contém menos enxofre e fósforo do que o aço comum de alta qualidade.

Os aços para fins especiais possuem uma marcação especial das letras que são colocadas na frente: Ш - rolamento de esferas, Р - corte de alta velocidade, Zh - classe ferrítica inoxidável de cromo, Я - classe austenítica inoxidável de cromo-níquel, Е - aço elétrico.

Muitos aços podem ser atribuídos a materiais de engenharia que possuem propriedades de resistência suficientemente altas. Esses aços incluem: aços carbono, aços de baixa liga, aços de média liga e alta resistência, aços de alta liga e alta resistência (envelhecimento martensítico).

Todos os aços ligados podem ser divididos em grupos dependendo de quatro características: de acordo com a estrutura de equilíbrio do aço, de acordo com a estrutura após o resfriamento do aço ao ar, de acordo com a composição do aço, de acordo com a finalidade do aço.

Dependendo da quantidade de carbono contida no aço, os seguintes tipos são distinguidos: baixo carbono até 0.1-0.2%, médio carbono e alto carbono 0.6-1.7% C.

A estrutura dos aços pode ser hipoeutetóide (ferrita + perlita), eutetóide (perlita) e hipereutetóide (perlita + cementita).

Existem três maneiras de fundição de aço: métodos ferventes, semi-calmos e calmos. Com o método de ebulição, a estrutura de aço contém um grande número de bolhas de gás, que são resultado da desoxidação do aço nos moldes e liberação de CO.

Os aços também são obtidos por meio de conversores, fornos elétricos e instalações de lingotamento contínuo.

41. Aços estruturais: construção, engenharia, alta resistência. Aços para ferramentas: aços para ferramentas, aços para rolamentos, aços para matrizes

Os aços-ferramenta de carbono U8, U10, U11, U12, devido à baixa estabilidade da austenita super-resfriada, possuem baixa temperabilidade, são usados para pequenas ferramentas.

Os aços U10, U11, U12 são usados para ferramentas de corte (brocas, limas), U7 e U8 - para ferramentas de carpintaria. Os aços podem ser usados como ferramenta de corte apenas para corte em baixa velocidade, pois sua alta dureza (U10-U12-62-63НРС) é bastante reduzida quando aquecida acima de 190-200 °C.

Aços de liga com temperabilidade aumentada que não possuem resistência ao calor (11HF, 13X, HVSG, 9XS, X, V2F) são adequados para cortar materiais de baixa resistência, são usados para ferramentas que não são submetidas ao calor durante a operação. Os aços de liga têm maior temperabilidade do que os aços carbono.

Os aços rápidos (R6M5, R12F3, R8M3) possuem alta resistência ao calor e possuem alta dureza, resistência e resistência ao desgaste em temperaturas elevadas que ocorrem na aresta de corte ao cortar em alta velocidade. Os principais elementos de liga desses aços são tungstênio, molibdênio, cobalto e vanádio.

O aço carbono é dividido em aço estrutural (aço macio e médio duro) e aço ferramenta (duro).

O aço estrutural de acordo com GOST é dividido em:

1) aço carbono de qualidade ordinária, laminado a quente, fundido pelo método de forno aberto ou Bessemer;

2) aço carbono de alta qualidade, construção de máquinas, laminados a quente e forjados, fundidos em fornos a céu aberto ou elétricos. Este aço é utilizado para a fabricação de peças mais críticas de máquinas e mecanismos.

O aço de liga estrutural é usado para a fabricação de peças críticas de máquinas e estruturas metálicas.

Aço liga tripla. O cromo como componente de liga aumenta a resistência do aço e é relativamente barato. O cromo confere ao aço boa resistência ao desgaste e, com o aumento da quantidade de carbono - alta dureza devido à formação de carbonetos.

O aço cromo de baixa e média liga é amplamente utilizado nas indústrias aeronáutica, automobilística e de tratores, bem como em outros ramos da engenharia para a fabricação de eixos, eixos, engrenagens e outras peças.

O aço cromo com um teor de 0,4-1,65% Cr e 0,95-1,15% C forma um grupo de aços para rolamentos de esferas. O aço cromo de baixa liga também é usado para a fabricação de ferramentas. O aço cromo de alta liga é inoxidável e resistente à corrosão não apenas no ar, mas também em ambientes agressivos. Ele mantém a resistência em temperaturas elevadas e é usado para a fabricação de pás de turbinas, cilindros de alta pressão e tubos de superaquecedores.

O níquel é um excelente elemento de liga, mas é muito caro e escasso. Eles tentam usá-lo em combinação com cromo e manganês. O níquel aumenta a resistência, tenacidade e dureza (após a têmpera) do aço, reduzindo ligeiramente a ductilidade e aumentando muito a temperabilidade e a resistência à corrosão. Após têmpera e revenimento baixo, o aço níquel tem alta dureza, mas sem fragilidade.

O aço de níquel de baixa e média liga é usado nas indústrias automotiva e de engenharia crítica. O aço de níquel de alta liga tem propriedades especiais. Com um teor de silício superior a 0,8%, a resistência, elasticidade e dureza do aço aumentam, reduzindo sua tenacidade.

O aço silício de baixo carbono é usado para construção de pontes e não é submetido a tratamento térmico.

O aço 55C2, 6 °C2 é usado para a fabricação de molas e molas. Após a têmpera e revenimento, este aço apresenta alta resistência à tração e elasticidade.

O manganês aumenta a dureza e a resistência do aço, aumenta sua temperabilidade e melhora a soldabilidade. O aço manganês ligado é chamado de aço, que contém pelo menos 1% de Mn. Na prática, o aço manganês de baixa e alta liga é usado.

Grau de aço de alta liga G13, que tem uma viscosidade muito alta e resistência à abrasão por impacto, tornou-se difundido: é usado para fazer interruptores e cruzes ferroviárias, viseiras de draga.

Aço de liga de ferramenta. Para cada tipo de ferramenta, é necessário utilizar o aço mais adequado em suas qualidades para as condições de trabalho dadas.

O aço de baixa liga para ferramentas de corte não difere em sua capacidade de corte do aço carbono e é usado em baixas velocidades de corte.

As classes comuns de aço de baixa liga para ferramentas de corte são:

1) aço grau X - cromo (para fabricação de fresas, brocas);

2) aço grau 9XC - cromo-silício (para fabricação de fresas, brocas);

3) aço grau B1 - tungstênio (para fabricação de brocas helicoidais, alargadores).

42. Aços inoxidáveis, resistentes ao calor e resistentes ao calor, resistentes ao frio, elétricos e resistentes ao desgaste

A resistência à corrosão do aço aumenta se o teor de carbono for reduzido ao mínimo possível e for introduzido um elemento de liga que forma soluções sólidas com o ferro em tal quantidade que o potencial do eletrodo da liga aumenta. O aço que é resistente à corrosão atmosférica é chamado de aço inoxidável. O aço ou uma liga que tenha alta resistência à corrosão por ácidos, sais, álcalis e outros meios agressivos é chamado de resistente a ácidos.

A corrosão é a destruição de metais devido à interação de sua interação eletroquímica com o meio ambiente. Os materiais estruturais têm alta resistência à corrosão. Aços carbono e de baixa liga são instáveis contra corrosão na atmosfera, água e outros meios. Resistentes à corrosão são metais e ligas que são capazes de resistir aos efeitos corrosivos do meio ambiente.

O cromo é o principal elemento de liga que torna o aço resistente à corrosão em ambientes oxidantes.

A resistência ao calor é a capacidade dos metais e ligas de resistir aos efeitos corrosivos dos gases em altas temperaturas. O efeito corrosivo dos gases leva à oxidação do aço em altas temperaturas. A intensidade da oxidação é afetada pela composição e estrutura do filme de óxido. Se o filme for poroso, a oxidação ocorre intensamente, se for denso, diminui ou para completamente.

Para obter um filme de óxido denso, que impede a penetração de oxigênio profundamente no aço, ele é ligado com cromo, silício ou alumínio. Quanto mais elemento de liga no aço, maior sua resistência ao calor.

Resistência ao calor. Para um material de ferramenta, é determinado pela temperatura mais alta na qual ele retém suas propriedades de corte. A resistência ao calor dos materiais da ferramenta usada varia de 200 a 1500 ° C. De acordo com o grau de diminuição da resistência ao calor, os materiais são organizados na seguinte ordem: superduro, cerâmica de corte, ligas duras, alta velocidade, liga, carbono aços. Mesmo quando exposto a temperaturas por muito tempo, as propriedades de alta resistência ao calor devem permanecer no mesmo nível. O metal das matrizes quentes deve oferecer resistência estável ao revenimento.

A resistência ao calor é a capacidade do aço de resistir ao estresse mecânico em altas temperaturas. Aços e ligas resistentes ao calor são aqueles que podem trabalhar sob carga em altas temperaturas por um longo tempo. Os aços resistentes ao calor são geralmente resistentes ao calor ao mesmo tempo.

A fluência é uma deformação que aumenta sob ação prolongada de carga constante e alta temperatura. Para aços estruturais carbono e liga, a fluência ocorre em temperaturas acima de 350 °C.

A fluência é caracterizada pelo limite de fluência, que é entendido como a tensão que faz com que o aço se deforme em uma certa quantidade em um determinado tempo a uma determinada temperatura.

Ligas resistentes ao calor. O desenvolvimento de ligas de níquel resistentes ao calor começou com pequenas adições de titânio e alumínio ao nicromo comum. A adição de menos de 2% de titânio e alumínio sem tratamento térmico aumenta significativamente o desempenho de fluência do nicromo em temperaturas em torno de 700 °C.

As ligas de níquel resistentes ao calor são divididas em ligas forjadas e fundidas. As propriedades resistentes ao calor das ligas forjadas são formadas durante o tratamento térmico. As ligas de níquel fundido de alta temperatura são semelhantes em composição às ligas forjadas, mas geralmente contêm uma quantidade maior de alumínio e titânio.

Resistência ao frio - a capacidade de um metal resistir à deformação e destruição, que pode ocorrer sob a influência de baixas temperaturas.

O aço elétrico é uma folha fina de aço macio. Os núcleos dos equipamentos elétricos são feitos a partir dele. Este aço contém silício. Existem aços elétricos laminados a frio e laminados a quente, bem como aço para dínamo e transformador. Para liga de aço elétrico, 0,5% de Al é usado.

Aço resistente ao desgaste. Para peças que operam sob condições de desgaste abrasivo, altas pressões e impactos (trilhos de veículos lagartas, mandíbulas de britadores, pontos de comutação de trilhos ferroviários e de bondes), o aço fundido com alto teor de manganês 110G13L de estrutura austenítica contendo 0,9% C e 11,5% Mn é usado.

No estado fundido, a estrutura de aço consiste em austenita e carbonetos do tipo (Fe, Mn)3C, que precipitam ao longo dos limites dos grãos de austenita, e sua resistência e resistência ao impacto são bastante reduzidas, de modo que as peças fundidas são submetidas a têmpera com aquecimento até 1100 ° C e resfriamento em água. A esta temperatura, os carbonetos dissolvem-se na austenite e o aço adquire uma estrutura austenítica mais estável.

Sob condições de impacto e desgaste abrasivo, defeitos na estrutura cristalina (deslocamentos, falhas de empilhamento) são formados na camada superficial do aço, o que leva ao endurecimento da superfície. Um aumento na dureza e resistência ao desgaste como resultado do encruamento é possível sob cargas de impacto e deformação plástica a frio.

Devido ao endurecimento, o aço 110G13L é mal usinado por corte, por isso é aconselhável fabricar peças ou produtos deste aço por fundição sem usinagem posterior. A letra L no final da marca deste aço significa "fundição".

43. Marcação, estrutura, propriedades e aplicações de metais não ferrosos e suas ligas

Os metais não ferrosos incluem cobre, alumínio, magnésio, titânio, chumbo, zinco e estanho, que possuem propriedades valiosas e são usados na indústria apesar de seu custo relativamente alto. Às vezes, quando possível, os metais não ferrosos são substituídos por metais ferrosos ou materiais não metálicos (por exemplo, plásticos).

Distinguem-se os seguintes grupos de metais não ferrosos e ligas: metais leves e ligas (com densidade de 3.0 g/cm3); ligas de cobre e ligas especiais não ferrosas - cuproníquel, não prata, ligas preciosas, etc.

Na indústria de aplicação, o cobre ocupa um dos primeiros lugares entre os metais não ferrosos. Propriedades do cobre - alta ductilidade, condutividade elétrica, condutividade térmica, maior resistência à corrosão. O cobre é utilizado na engenharia elétrica, na fabricação de cabos e fios para a transmissão de eletricidade, e serve de base para a fabricação de diversas ligas muito utilizadas na engenharia mecânica.

O alumínio é um metal leve que possui alta ductilidade, boa condutividade elétrica e resistência à corrosão. É utilizado na fabricação de fios elétricos, utensílios, para proteção de outros metais e ligas contra oxidação por revestimento. Na engenharia mecânica, o alumínio puro raramente é usado, pois possui baixas propriedades mecânicas. O alumínio é a base para a produção de muitas ligas amplamente utilizadas na construção de aeronaves, na construção de carros e carruagens e na fabricação de instrumentos. As ligas de alumínio são deformadas (endurecidas por tratamento térmico e não endurecidas) e fundidas. Duralumínio é a liga mais comum, que é usada deformada e reforçada por tratamento térmico.

O magnésio é o metal mais comum e é de cor branca prateada. A grande vantagem do magnésio é que é um metal muito leve. A principal desvantagem é a sua baixa resistência à corrosão. O magnésio puro não encontrou distribuição na tecnologia, mas é usado como base para a produção de ligas leves.

Os seguintes graus de metais não ferrosos (GOST) foram estabelecidos:

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

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

estanho - 01, 02, OE e 04; chumbo - CB, CO, C1, C2, C3, C4;

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

magnésio - Mg1, Mg2.

Latão. Comparado com o cobre puro, o latão tem maior resistência, ductilidade e dureza, são mais fluidos e resistentes à corrosão.

Além do latão simples, são usados latões especiais com adições de ferro, manganês, níquel, estanho e silício. A quantidade de componentes de liga em latão especial não excede 7-8%. Os latões especiais têm propriedades mecânicas melhoradas; alguns deles não são inferiores em resistência ao aço carbono médio.

De acordo com o GOST, o latão é designado pela letra L e um número que indica a quantidade de cobre na liga.

A designação dos componentes de liga é a seguinte: F - ferro; H - níquel; O - estanho; K - silício; C - chumbo. A quantidade do componente de liga é indicada em números.

Os latões são fundidos (usados para fundição moldada) e submetidos a tratamento de pressão. O latão é utilizado para a fabricação de chapas, arames, mangas, encaixes estampados, utensílios.

Os bronzes são: estanho, alumínio, silício, níquel. Os bronzes de estanho têm alta resistência à corrosão, boa fluidez e altas propriedades antifricção. Fundições são feitas a partir deles. Bronzes de estanho simples raramente são usados, pois a introdução de elementos adicionais (zinco, chumbo, níquel) pode obter melhores propriedades com um menor teor de estanho escasso.

De acordo com o GOST, os bronzes de estanho são marcados com as letras BrO e um número que indica o teor de estanho; letras e números subseqüentes mostram a presença e quantidade de elementos adicionais no bronze. Para designar elementos adicionais, as mesmas letras são usadas para marcar latão especial; o zinco é indicado pela letra C e o fósforo pela letra F.

O estanho é um metal caro e raramente é usado na prática. Os substitutos do bronze de estanho são alumínio, silício, manganês e outros bronzes.

O bronze de alumínio é usado com um teor de até 11% de A1. Por estrutura, o bronze é principalmente (até 9,7% Al) monofásico e é uma solução sólida de alumínio em cobre. Em termos de propriedades mecânicas, o bronze de alumínio é melhor que o bronze de estanho, possui ductilidade, resistência à corrosão e resistência ao desgaste.

A desvantagem é uma grande retração durante o resfriamento a partir do estado líquido, bem como na fácil formação de óxidos de alumínio no bronze líquido, o que prejudica sua fluidez. Elementos adicionais (ferro, manganês) aumentam suas propriedades mecânicas. O bronze de silício pertence a ligas homogêneas - soluções sólidas, possui altas propriedades mecânicas e de fundição. Substitui o bronze de estanho. Manganês e níquel são introduzidos em bronzes de silício para melhorar suas propriedades.

44. Alumínio; a influência das impurezas nas propriedades do alumínio; ligas de alumínio forjado e fundido

O alumínio se distingue pela baixa densidade, alta condutividade térmica e elétrica, boa resistência à corrosão em muitos ambientes devido à formação de um filme denso de óxido de Al na superfície do metal.₂0₃. O ADM de alumínio recozido técnico é endurecido por deformação plástica a frio.

O alumínio é altamente dúctil e facilmente processado por pressão, porém, no corte, surgem complicações, sendo uma das razões a aderência do metal à ferramenta.

Dependendo de quais impurezas estão presentes no alumínio, são observadas mudanças em sua corrosão, propriedades físicas, mecânicas e tecnológicas. A maioria das impurezas afeta negativamente a condutividade elétrica do alumínio. As impurezas mais comuns são ferro, silício. O ferro, juntamente com a condutividade elétrica, reduz a ductilidade e a resistência à corrosão e aumenta as propriedades de resistência do alumínio. A presença de ferro em ligas de alumínio com silício e magnésio afeta negativamente as propriedades da liga. Somente nas ligas de alumínio onde o níquel está presente, o ferro é considerado uma impureza útil.

A impureza mais comum em ligas de alumínio é o silício. Este metal, assim como cobre, magnésio, zinco, manganês, níquel e cromo, são introduzidos nas ligas de alumínio como principais componentes. Compostos CuAl₂Mg₂Si, CuMgAl₂- fortalecer efetivamente as ligas de alumínio.

Elementos de liga básicos em ligas de alumínio. O manganês melhora a resistência à corrosão. O silício é o principal elemento de liga em várias ligas de alumínio fundido (silumins), uma vez que está envolvido na formação de eutéticos.

Ni, Ti, Cr, Fe aumentam a resistência ao calor das ligas, inibindo os processos de difusão e formando fases estáveis de endurecimento de ligas complexas. O lítio nas ligas contribui para um aumento do seu módulo de elasticidade. Ao mesmo tempo, o magnésio e o manganês reduzem a condutividade térmica e elétrica do alumínio e do ferro - sua resistência à corrosão.

Marcação de ligas de alumínio. Atualmente, duas marcações de liga são usadas simultaneamente: a antiga alfanumérica e a nova digital. Junto com isso, há uma marcação alfanumérica do processamento tecnológico de produtos e produtos semi-acabados, que reflete qualitativamente as propriedades mecânicas, químicas e outras da liga.

Classificação das ligas de alumínio. As ligas de alumínio são divididas principalmente em ligas de alumínio forjado e fundido, uma vez que os processos de deformação plástica e fundição são usados na produção de ligas em pó e materiais compósitos.

As ligas de alumínio são divididas de acordo com sua capacidade de serem endurecidas por tratamento térmico em endurecidas e não endurecidas. Eles podem ser submetidos a homogeneização, recristalização e recozimento de amolecimento.

Uma boa combinação de resistência e ductilidade é distinguida pelas ligas do sistema Al-Cu-Mg - duralumínios D1, D16, D18, D19, etc. O tratamento térmico fortalece os duralumínios, aumenta sua soldabilidade por soldagem a ponto. Eles podem ser usinados satisfatoriamente, mas são propensos à corrosão intergranular após o aquecimento. Um aumento significativo na resistência à corrosão das ligas é obtido pelo revestimento.

Na aviação, os duralumínios são utilizados para a fabricação de pás de hélice (D1), elementos de potência de estruturas de aeronaves (D16, D19).

As ligas de alta resistência do sistema Al-Zn-Mg-Cu (V93, V95, V96Ts) são caracterizadas por altos valores de resistência à tração (até 700 MPa). Ao mesmo tempo, plasticidade suficiente, resistência a fissuras e resistência à corrosão são alcançadas pelo envelhecimento gradual da coagulação (T2, T95), bem como pelo uso de ligas de alta pureza (V95kch) e especial (VXNUMXoch).

A liga de alto módulo 1420, devido à liga de alumínio com lítio e magnésio (sistema Al-M-Li), tem uma densidade reduzida (em 11%) e ao mesmo tempo um módulo de elasticidade aumentado (em 4%) .

As ligas de forjamento AK6 e AK8 (sistema Al-M-Si-Cu) apresentam alta plasticidade durante o trabalho a quente. Eles são satisfatoriamente soldados, bem usinados, mas propensos à corrosão sob estresse. Para garantir a resistência à corrosão, as peças feitas de ligas AK6 e AK8 são anodizadas ou revestidas com tintas e vernizes. As ligas de forjamento são usadas para fabricar peças de aeronaves forjadas e estampadas que trabalham sob carga. Essas ligas são capazes de operar em temperaturas criogênicas.

Ligas de alumínio resistentes ao calor dos sistemas A1-Cu-Mn (D20, D21) e Al-Cu-Mg-Fe-Ni (AK4-1) são usadas para a fabricação de peças (pistões, cabeçotes, discos) operando em temperaturas elevadas (até 300 ° C). A resistência ao calor é obtida ligando ligas com níquel, ferro e titânio, que inibem os processos de difusão e formam fases de reforço finamente dispersas de liga complexa que são resistentes à coagulação por aquecimento. As ligas têm alta ductilidade e trabalhabilidade no estado quente.

Ligas de alumínio fundido.

Os principais requisitos para ligas para fundições moldadas são uma combinação de boas propriedades de fundição (alta fluidez, baixa retração, baixa fissuração a quente e porosidade) com propriedades mecânicas e químicas ótimas (resistência à corrosão). As ligas eutéticas têm as melhores propriedades de fundição.

45. Cobre; influência das impurezas nas propriedades do cobre. Latão, bronze, ligas de cobre-níquel

O cobre é um metal vermelho, em uma fratura rosa, tem um ponto de fusão de 1083 ° C. A rede cristalina FCC com um período de 0,31607 pits. A densidade do cobre é 8,94 g/cm3. O cobre tem alta condutividade elétrica e térmica. A resistência elétrica específica do cobre é 0,0175 μOhm m.

Graus de cobre: M00 (99,99% Cu), MO (99,97% Cu), M1 (99,9% Cu), M2 (99,7% Cu), M3 (99,50% Cu). As impurezas presentes no cobre têm grande influência em suas propriedades.

De acordo com a natureza da interação das impurezas com o cobre, elas podem ser divididas em três grupos.

1. Impurezas que formam soluções sólidas com cobre: Ni, Zn, Sb, Fe. P e outros Essas impurezas (especialmente Sb) reduzem drasticamente a condutividade elétrica e a condutividade térmica do cobre, portanto, cobre M0 e M1 são usados para condutores de corrente. O antimônio dificulta o trabalho a quente.

2. Impurezas Pb, Bi e outras, praticamente insolúveis em cobre, formam nele eutéticos de baixo ponto de fusão que, separando-se ao longo dos contornos de grão, dificultam o processamento por pressão.

Com um teor de 0,005% Bi, o cobre é destruído durante o trabalho a quente por pressão; com um teor mais alto de bismuto, o cobre torna-se quebradiço a frio; essas impurezas têm pouco efeito sobre a condutividade elétrica.

3. Impurezas de oxigênio e enxofre, formando compostos químicos frágeis Cu com cobre₂O e Cu₂S, que fazem parte do eutético. Se o oxigênio estiver em solução, ele reduz a condutividade elétrica e o enxofre não o afeta. O enxofre melhora a usinabilidade do cobre por corte, e o oxigênio, se presente no cobre, forma óxido cuproso e causa "doença do hidrogênio".

Quando o cobre é aquecido em uma atmosfera contendo hidrogênio, ele se difunde na profundidade do cobre. Se houver inclusões de Cu no cobre₂Ah, eles reagem com o hidrogênio, resultando na formação de vapor d'água. Dois grupos principais de ligas de cobre: latão - ligas de cobre-zinco; bronzes são ligas de cobre com outros elementos.

O latão é uma liga multicomponente à base de cobre, onde o principal componente é o zinco. Os latões técnicos contêm até 40-45% de Zn. B-latão monofásico, que são facilmente deformados em condições frias e quentes, incluem L96 (tompak), L80 (meio tompak), L68, que possui a maior ductilidade. Bifásico (α + β) - latão, L59 e L60 são menos dúcteis no estado frio e são submetidos a tratamento de pressão a quente.

Com base na tecnologia, o latão é dividido em dois grupos: deformado e fundido. Os latões fundidos não são muito propensos à liquidação e possuem propriedades antifricção.

Os latões forjados têm altas propriedades corrosivas em condições atmosféricas.

O latão, destinado à fundição moldada, contém um grande número de aditivos especiais que melhoram suas propriedades de fundição.

Bronzes de estanho. Ligas ricas em estanho são muito frágeis. Bronzes de estanho são geralmente ligados com Zn, Pe, P, Pb, Ni e outros elementos. O zinco melhora as propriedades tecnológicas do bronze e reduz o custo do bronze. O fósforo melhora as propriedades de fundição. O níquel aumenta as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e a densidade dos fundidos e reduz a segregação. O ferro tritura grãos, mas piora as propriedades tecnológicas dos bronzes e a resistência à corrosão.

Existem bronzes de estanho forjados e fundidos, que possuem boas propriedades de fundição. Os bronzes bifásicos têm altas propriedades antifricção. Eles são usados para a fabricação de peças antifricção.

As ligas de níquel são amplamente utilizadas na engenharia mecânica. O níquel confere ao cobre maior resistência à corrosão e melhora suas propriedades mecânicas e de fundição. Bronzes que contêm apenas níquel não são usados devido ao alto custo do níquel. O níquel é introduzido em combinação com outros elementos.

As ligas de níquel são comuns na indústria, que possuem nomes: cuproníquel (liga de cobre com 18-20% de níquel) - utilizado para mangas, possui coloração branca e alta resistência à corrosão; constantan é uma liga de cobre com 39-41% de níquel. Constantan tem uma alta resistência elétrica e é usado na forma de fios e fitas para reostatos, instrumentos elétricos de medição.

O cobre e suas ligas são amplamente utilizados em engenharia elétrica, eletrônica, instrumentação, fundição e construção de motores. Assim, 50% do cobre produzido é consumido pelas indústrias eletroeletrônicas. Está em segundo lugar (depois do alumínio) em termos de produção entre os metais não ferrosos.

Propriedades técnicas e tecnológicas do cobre: alta condutividade elétrica e térmica, resistência à corrosão suficiente, boa trabalhabilidade por pressão, soldabilidade por todos os tipos de soldagem, boa soldabilidade, fácil polimento. O cobre puro tem baixa resistência e alta ductilidade. As desvantagens do cobre incluem:

- Preço Alto;

- densidade significativa;

- grande encolhimento durante a fundição;

- fragilidade a quente;

- a complexidade do corte.

46. Magnésio e suas ligas

O magnésio é um metal reativo: o filme de óxido de MgO formado no ar, devido à sua densidade superior à do próprio magnésio, racha e não possui propriedades protetoras; pó de magnésio e aparas são altamente inflamáveis; o magnésio quente e fundido explode em contato com a água.

O magnésio e suas ligas são pouco resistentes à corrosão, têm baixa fluidez durante a fundição e são deformados plasticamente apenas em temperaturas elevadas (225 °C ou mais). Este último é devido ao fato de que o deslocamento na rede hexagonal do magnésio em baixas temperaturas ocorre apenas ao longo do plano de base (a base do prisma hexagonal). O aquecimento a 200-300 °C leva ao aparecimento de planos de deslizamento adicionais e, consequentemente, a um aumento da plasticidade. A baixa mobilidade de difusão dos átomos nas ligas de magnésio retarda as transformações de fase nelas. Portanto, o tratamento térmico (recozimento por difusão ou recristalização, endurecimento, envelhecimento) requer exposições longas (até 24 h).

Ao mesmo tempo, as ligas de magnésio são caracterizadas por alta resistência específica, absorvem bem as vibrações e não interagem com o urânio. Eles são bem processados por corte e soldados satisfatoriamente por arco de argônio e contato

Soldagem. Os principais elementos de liga em ligas de magnésio são Mn, Al e Zn.

O manganês aumenta a resistência à corrosão e a soldabilidade das ligas de magnésio. O alumínio e o zinco têm uma grande influência na resistência e ductilidade das ligas de magnésio: os valores máximos das características mecânicas são alcançados quando 6-7% de alumínio ou 4-6% de zinco são introduzidos na liga. Esses elementos (Al, Zn) formam fases de endurecimento com magnésio, que precipitam de forma finamente dispersa após a têmpera com o envelhecimento.

Zircônio, titânio, metais alcalino-terrosos (Ca) e terras raras (Ce, 1a) e tório trituram o grão, desoxidam a liga e aumentam sua resistência ao calor.

De acordo com a tecnologia de fabricação dos produtos, as ligas de magnésio são divididas em fundição (marcação "ML") e forjada ("MA"). As ligas de magnésio são submetidas a vários tipos de tratamento térmico.

Assim, para eliminar a segregação em ligas fundidas (dissolvendo o excesso de fases liberadas durante a fundição e equalizando a composição química sobre o volume de grãos), é realizado o recozimento por difusão (homogeneização) de fundidos e lingotes moldados (400–490 °C, 10–24 h). O endurecimento é removido pelo recozimento de recristalização a 250-350 "C, durante o qual a anisotropia das propriedades mecânicas que surgiu durante a deformação plástica também diminui.

As ligas de magnésio, dependendo da composição, podem ser endurecidas por têmpera (muitas vezes com resfriamento ao ar) e subsequente envelhecimento a 150-200 ° C (modo Tb). Várias ligas são endurecidas já no processo de resfriamento de peças fundidas ou forjadas e podem ser endurecidas imediatamente por envelhecimento artificial (endurecimento por desvio). Mas na maioria dos casos, eles são limitados apenas à homogeneização (têmpera) a 380–540 °C (modo T4), pois o envelhecimento subsequente, aumentando a resistência em 20–35%, leva a uma diminuição da ductilidade das ligas. Ligas fundidas.

Em ligas de magnésio fundido, um aumento nas propriedades mecânicas é alcançado pela moagem do grão por superaquecimento do fundido ou pela modificação com aditivos de giz ou magnesita.

Neste caso, partículas sólidas são formadas no fundido, que se tornam centros de cristalização. Para evitar a ignição das ligas de magnésio, elas são fundidas em cadinhos de ferro sob uma camada de fluxo e despejadas em vapores de dióxido de enxofre formados quando o enxofre é introduzido na corrente de metal. Ao fundir em moldes de areia, aditivos especiais (fluoretos de alumínio) são introduzidos na mistura para reduzir a oxidação do magnésio. Entre as ligas de magnésio fundido, as ligas ML5 e ML6, que se distinguem pelo aumento das propriedades mecânicas e de fundição, são amplamente utilizadas. Eles podem ser endurecidos tanto por homogeneização e têmpera ao ar (T4) quanto por envelhecimento adicional (T6).

ligas forjadas.

O magnésio deformado (prensado) tem um conjunto maior de propriedades mecânicas do que o magnésio fundido.

As ligas forjadas são produzidas na forma de forjados, matrizes, tiras laminadas a quente, barras e perfis. As faixas de temperatura dos processos tecnológicos de tratamento sob pressão de ligas de magnésio estão dentro dos seguintes limites: prensagem a 300-480°C, laminação a 440-225°C e estampagem (em matrizes fechadas) a 480-280°C. Boa resistência à corrosão, soldabilidade e ductilidade tecnológica são distinguidas pela liga MA1, que pertence ao grupo de ligas de baixa resistência.

A liga MA2-1 combina um conjunto ideal de propriedades mecânicas e tecnológicas (bem soldadas, estampadas), mas está sujeita à corrosão sob estresse. Resistente ao calor (até 250 °C) é uma liga do sistema (Md-Zn-Zr) MA14. A liga é endurecida por envelhecimento artificial (modo T5) após prensagem e resfriamento ao ar. Caracteriza-se pelo aumento das propriedades mecânicas, mas é propenso à formação de trincas a quente durante a laminação.

O uso de ligas de magnésio. As ligas de magnésio são usadas para fazer corpos de foguetes, bombas, instrumentos, tanques de combustível e oxigênio, estruturas de motores, carcaças. Assim, as ligas ML5 e ML6 são usadas para fundir tambores de freio, volantes, caixas de câmbio, ML10 - peças de dispositivos de alta estanqueidade.

Conexões, sistemas de gasolina e óleo, bem como peças soldadas são feitas de ligas forjadas MA1, peças altamente carregadas - de MA14.

47. Titânio e suas ligas

Titânio e ligas baseadas nele têm alta resistência à corrosão e resistência específica. Desvantagens do titânio: sua interação ativa com gases atmosféricos, a tendência à fragilização por hidrogênio.

Nitrogênio, carbono, oxigênio e hidrogênio, fortalecendo o titânio, reduzem sua ductilidade, resistência à corrosão e soldabilidade. O titânio é mal usinado por corte, satisfatoriamente por pressão, soldado em atmosfera protetora. A fundição a vácuo tornou-se difundida, incluindo a refusão a arco a vácuo com um eletrodo consumível.

Modificações alotrópicas de titânio: baixa temperatura e alta temperatura.

Existem dois grupos principais de elementos de liga, dependendo de seu efeito na temperatura de transformação polimórfica do titânio (882,5 ° C): b-estabilizadores (elementos que expandem a região de existência da fase b e aumentam a temperatura de transformação - A1, Oa, C) e c- estabilizadores (elementos que estreitam a região b e reduzem a temperatura da transformação polimórfica - V, Mo, Cr).

Os elementos de liga são divididos em dois grupos principais: elementos com grande (no limite - ilimitado) e solubilidade limitada em titânio. Elementos com solubilidade limitada, juntamente com o titânio, podem formar compostos intermetálicos, silicetos e fases intersticiais.

Os elementos de liga afetam as propriedades operacionais do titânio (Fe, Al, Mn, Cr), aumentam sua resistência, mas reduzem a elasticidade e a tenacidade; Al, Zr aumentam a resistência ao calor e Mo, Zr, Ta - resistência à corrosão.

Classificação das ligas de titânio. A estrutura das ligas de titânio industriais são soluções sólidas de elementos de liga em modificações b e b de titânio.

Tipos de tratamento térmico de ligas de titânio.

Recristalização (simples) recozimento de ligas formadas a frio (650-850 °C).

Recozimento isotérmico (aquecimento a 780-980°C seguido de resfriamento em forno a 530-680°C, mantendo nesta temperatura e resfriado ao ar), proporcionando alta ductilidade e estabilidade térmica das ligas.

Recozimento duplo passo (diferente do isotérmico na medida em que a transição do primeiro estágio para o segundo é realizada por resfriamento da liga ao ar, seguido de reaquecimento à temperatura do segundo estágio), o que leva ao fortalecimento da liga e a um diminuição da plasticidade devido à ocorrência parcial de processos de endurecimento e envelhecimento.

Recozimento parcial a 500-680 °C para aliviar as tensões residuais que surgem durante a usinagem.

Tratamento térmico de endurecimento. A maioria das ligas de titânio são ligadas com alumínio, o que aumenta a rigidez, resistência, resistência ao calor e resistência ao calor do material, além de reduzir sua densidade.

As ligas de α-titânio não são endurecidas por tratamento térmico; seu endurecimento é obtido por meio de ligas em solução sólida e deformação plástica.

(α + β) - as ligas de titânio são caracterizadas por uma estrutura mista e são endurecidas por tratamento térmico, consistindo em endurecimento e envelhecimento.

As ligas de pseudo-β-titânio são caracterizadas por um alto teor de β-estabilizadores e a resultante ausência de transformação martensítica. As ligas são caracterizadas por alta ductilidade no estado endurecido e alta resistência no estado envelhecido; eles são soldados satisfatoriamente por soldagem a arco de argônio.

Ligas de titânio fundido. Em comparação com as ligas forjadas, as ligas fundidas têm menor resistência, ductilidade e resistência, mas são mais baratas. A complexidade da fundição de ligas de titânio se deve à interação ativa do titânio com gases e materiais de moldagem. As ligas de fundição VT5L, VT14L e VTZ-1L basicamente coincidem em composição com ligas forjadas semelhantes (ao mesmo tempo, a liga VT14L contém adicionalmente ferro e cromo).

A liga VT5L possui altas propriedades tecnológicas: é dúctil, não rachaduras durante a fundição e solda bem. Fundidos moldados da liga VT5L operam em temperaturas de até 400 °C. A desvantagem da liga é sua baixa resistência (800 MPa). a liga de fundição bifásica VT14L é recozida a 850°C em vez de tratamento térmico de endurecimento, o que reduz drasticamente a plasticidade das peças fundidas.

Ligas de titânio em pó. A utilização de métodos de metalurgia do pó para a produção de ligas de titânio permite, com as mesmas propriedades operacionais de um material fundido ou deformável, obter uma redução de até 50% no custo e tempo de fabricação dos produtos. A liga de pó de titânio VT6 obtida por prensagem isostática a quente (HIP) tem as mesmas propriedades mecânicas que a liga forjada após o recozimento. Para a liga forjada VT6 endurecida e envelhecida, a liga em pó é inferior em resistência, mas superior em ductilidade.

O uso de ligas de titânio: chapeamento de aeronaves, navios, submarinos; projéteis de mísseis e motores; discos e pás de turbinas estacionárias e compressores de motores de aeronaves; hélices; cilindros para gases liquefeitos; recipientes para ambientes químicos agressivos, etc.

48. Tipos de materiais compósitos. Estrutura, propriedades, aplicações

Os materiais compostos consistem em dois componentes combinados de várias maneiras em um monólito, mantendo suas características individuais.

Características materiais:

- a composição, forma e distribuição dos componentes são pré-determinadas;

- consistem em dois componentes e composição química mais diferente, separados por uma fronteira;

- possui propriedades diferentes das propriedades dos componentes tomados separadamente;

- homogêneo na macroescala e heterogêneo na microescala;

- não ocorre na natureza, feito pelo homem.

Os componentes do material são diferentes geometricamente. Uma matriz é um componente que possui continuidade ao longo de seu volume. O enchimento é um componente de reforço descontínuo.

Em materiais compósitos, metais e suas ligas, polímeros orgânicos e inorgânicos e materiais cerâmicos são usados como matrizes. As propriedades dependem das propriedades físico-químicas dos componentes e da força da ligação entre eles. Os componentes de um material composto são selecionados com propriedades que diferem entre si. Esses materiais têm alta rigidez específica e resistência específica.

Materiais compósitos comuns com enchimentos de dimensão zero são uma matriz metálica feita de metal ou liga. Materiais compósitos com uma distribuição uniforme de partículas de endurecedor são distinguidos por propriedades isotrópicas. Composições reforçadas com partículas dispersas são obtidas por métodos de metalurgia do pó.

Materiais compósitos com matriz de alumínio à base de alumínio são reforçados por partículas A1203, obtidas por prensagem de pó de alumínio com posterior sinterização (SAP).

As ligas SAP são deformadas satisfatoriamente no estado quente, e as ligas SAP-1 também são deformadas no estado frio. O SAP é facilmente processado por corte, soldado satisfatoriamente por arco de argônio e soldagem por resistência. Os produtos semi-acabados são produzidos a partir da SAP na forma de folhas, perfis, tubos, folhas.

Materiais compósitos com matriz de níquel.

O componente de endurecimento são partículas tóxicas de dióxido de tório (TI02) ou dióxido de háfnio (Hf02). Esses materiais são designados VDU-1 e VDU-2, respectivamente. Os materiais compostos VDU-1 e VDU-2 são plásticos, deformados em uma ampla faixa de temperatura por vários métodos (forjamento, estampagem, recalcamento, estampagem profunda). Para unir peças feitas de ligas do tipo VDU, é usada solda de alta temperatura ou soldagem por difusão para evitar o derretimento. As ligas VDU-2 são usadas na construção de motores de aeronaves.

Materiais compostos com enchimentos unidimensionais são reforçados por meio de elementos unidimensionais na forma de bigodes, fibras (fios).

As fibras são mantidas juntas por uma matriz em um único monólito. A matriz serve para proteger a fibra de reforço contra danos, é um meio que transfere a carga para as fibras e redistribui as tensões em caso de ruptura de fibras individuais.

Materiais compostos em uma matriz de níquel

As ligas de níquel resistentes ao calor são submetidas a reforço para aumentar seu tempo de operação e temperatura de operação até 1100-1200 °C. Para reforçar as ligas de níquel, são utilizados endurecedores: bigodes, fios de metais e ligas refratárias, fibras de carbono e carbeto de silício.

Materiais compósitos eutéticos - ligas de composição eutética. Neles, a fase de fortalecimento são os cristais orientados, que são formados durante a cristalização direcional.

Os métodos de cristalização dirigida produzem materiais compósitos baseados em Al, Md, Cu, Co, Tc

Materiais compósitos eutéticos à base de alumínio

Pelo método de cristalização direcional, obtêm-se as composições Al-A^M e Al-CuAl1. A composição é caracterizada por alta estabilidade estrutural até temperaturas de fusão.

Os materiais compósitos eutéticos à base de níquel são materiais resistentes ao calor usados na tecnologia de foguetes e espaciais. As composições lamelares contendo uma fração de volume da fase de endurecimento de mais de 33-35% são quebradiças. As composições plásticas incluem composições à base de níquel com uma fração volumétrica de fibras de 3-15% de carbonetos de tântalo, nióbio e háfnio.

Materiais compósitos em uma base não metálica.

Resinas curadas de epóxi, poliéster e fenólicos são usadas como matriz.

Os compósitos reforçados com o mesmo tipo de fibras são chamados pela fibra de reforço. Uma composição contendo um enchimento na forma de fibras de vidro longas dispostas em fios individuais orientados é chamada de fibra de vidro orientada.

O enchimento de fibra de vidro não orientada é uma fibra curta. Se o material de reforço for fibra de vidro, o material é chamado de fibra de vidro. Um material compósito contendo fibra de carbono é chamado de fibra de carbono, fibra de boro é chamada de fibra de boro e fibra orgânica é chamada de fibra de organo. Vantagens dos materiais compósitos com matriz polimérica: alta resistência específica e características elásticas; resistência a ambientes agressivos; boas propriedades antifricção e fricção, juntamente com alta proteção térmica e propriedades de absorção de choque.

49. Composição química, métodos para obtenção de pós, propriedades e métodos para seu controle

Materiais em pó - materiais obtidos pela prensagem de pós metálicos em produtos da forma e tamanho necessários e posterior sinterização dos produtos moldados em vácuo ou atmosfera protetora.

As ligas em pó antifricção têm um baixo coeficiente de atrito, são fáceis de usinar e têm boa resistência ao desgaste.

Ligas baseadas em materiais não ferrosos são usadas na fabricação de instrumentos e engenharia eletrônica. Materiais em pó são usados na fabricação de peças que possuem uma forma simétrica simples, pequena massa e tamanho.

A metalurgia do pó é um ramo da tecnologia que lida com a produção de pós metálicos e peças a partir deles. Os tarugos são prensados a partir de pó de metal, que são submetidos a tratamento térmico - sinterização. Os pós metálicos são: ferro, cobre, níquel, cromo, cobalto, tungstênio, molibdênio, titânio. Existem duas formas de obtenção de pós: mecânica e físico-química.

O mais comum é o método de moagem mecânica da matéria-prima (cavacos, sucatas). Moinhos mecânicos são usados para moagem. A retificação mecânica tem suas desvantagens. Estes incluem o alto custo dos pós, que inclui o custo de fabricação dos metais e ligas fundidos originais, e a produtividade relativamente baixa do processo.

Métodos físico-químicos para obtenção de pós: redução de óxidos, precipitação de pó metálico a partir de uma solução aquosa de sal. A produção de pó está associada a uma alteração na composição química da matéria-prima. Os métodos físico-químicos para obtenção de pós são mais versáteis do que os mecânicos. Devido ao uso de matérias-primas baratas, os métodos físico-químicos são econômicos.

A composição química dos pós é determinada pelo conteúdo do metal base ou componente e impurezas. As propriedades físicas dos pós são determinadas pelo tamanho e forma das partículas, microdureza, densidade e a criação de uma rede cristalina. As propriedades tecnológicas são caracterizadas pela fluidez, compressibilidade e aglomeração do pó.

Fluidez - a capacidade de um pó para preencher um molde. A fluidez é de grande importância na prensagem automática, onde o desempenho da prensa é afetado pela velocidade de enchimento do molde. A baixa fluidez afeta a não homogeneidade da densidade das peças de trabalho.

A compressibilidade refere-se à capacidade de um pó compactar sob a ação de uma carga externa e a força de adesão das partículas como resultado da prensagem. A compressibilidade do pó é afetada pela plasticidade do material das partículas, seu tamanho e forma. Aumenta com a introdução de surfactantes na composição do pó.

Os materiais estruturais que são usados para a fabricação de peças brutas e peças acabadas são obtidos usando métodos de metalurgia do pó. Materiais compósitos com propriedades físicas, mecânicas e de desempenho especiais são amplamente utilizados na indústria.

Materiais sinterizados antifricção são usados para a fabricação de mancais lisos. Nos materiais antifricção, o componente sólido é a base metálica e o componente macio são os poros preenchidos com óleo ou plástico.

Os materiais compósitos de fricção são composições complexas à base de cobre ou ferro. Grafite ou chumbo ajudam a reduzir o desgaste da composição. Os materiais de fricção são utilizados como elementos bimetálicos, constituídos por uma camada de fricção, que é sinterizada sob pressão com a base (disco).

Materiais altamente porosos são usados para fazer filtros. Os filtros podem ser feitos de pós de aço resistente à corrosão, alumínio, titânio.

Materiais metálicos altamente porosos são produzidos por sinterização em pó sem pré-prensagem. Para liberar gases durante o processo de sinterização, substâncias especiais são adicionadas aos pós.

As ligas duras metalocerâmicas têm alta dureza, resistência ao calor e resistência ao desgaste. São utilizados para a fabricação de ferramentas de corte e furação, e também são aplicados na superfície de peças de desgaste.

A metalurgia do pó produz materiais de metal diamantado. Pós metálicos (cobre, níquel) são usados como aglutinante.

Os materiais fibrosos são amplamente utilizados na tecnologia moderna de materiais compósitos. Para obtê-los, são utilizados fios de tungstênio, molibdênio, boro, grafite - dependendo das propriedades exigidas do material que está sendo criado. A metalurgia da fibra é um ramo da metalurgia do pó especializado em resolver os problemas de pesquisa e criação de materiais fibrosos.

O processo de preparação da mistura inclui recozimento preliminar, classificação do pó por tamanho de partícula (peneiramento) e mistura.

50. Formação e sinterização de pós, campos de aplicação

A aglomeração é a força de adesão das partículas como resultado do tratamento térmico de blanks prensados.

Os pós preparados são misturados em moinhos de bolas e tambores. Blanks de pós metálicos são formados por prensagem (frio, quente, hidrostático) e laminação. Dependendo do tamanho e da complexidade dos blanks prensados, é usada a prensagem de um e dois lados. Um lado recebe blanks de formato simples e blanks como buchas. Por prensagem de dupla face, é realizada a moldagem de peças de forma complexa.

Durante a prensagem a quente, os processos de conformação e sinterização da peça são combinados tecnologicamente. Como resultado da prensagem a quente, obtêm-se materiais caracterizados por alta resistência, densidade e uniformidade da estrutura. A grafite é o melhor material para fazer moldes.

A prensagem hidrostática é usada para obter blanks de cermet. Como fluido de trabalho, óleo, água e glicerina são usados.

A extrusão produz barras, tubos e perfis de diversas seções. O perfil da peça fabricada depende da forma do furo do molde calibrado. Prensas mecânicas e hidráulicas são usadas como equipamentos.

A laminação é um dos métodos mais produtivos e promissores utilizados para o processamento de materiais em pó. Em alguns casos, o processo de laminação é combinado com a sinterização e o processamento final das peças resultantes.

A sinterização é realizada para aumentar a resistência das peças de trabalho obtidas anteriormente por prensagem ou laminação. Em peças prensadas, as partículas individuais têm uma pequena proporção de contato; portanto, a sinterização é acompanhada por um aumento nos contatos entre as partículas individuais de pó. Dependendo do tempo e da temperatura de sinterização, ocorre um aumento na força e na densidade como resultado da ativação da formação de superfícies de contato. Se os parâmetros tecnológicos forem excedidos, isso pode levar a uma diminuição da resistência como resultado do crescimento dos grãos de cristalização.

Os requisitos são impostos à atmosfera de sinterização - condições não oxidantes para aquecimento de tarugos.

Os blanks após o processo de sinterização são submetidos a processamentos adicionais para melhorar as propriedades físicas e mecânicas, obter as dimensões e formas finais, aplicar revestimentos decorativos e proteger a superfície da peça da corrosão.

Para melhorar as propriedades físicas e mecânicas dos blanks sinterizados, são utilizadas prensagens e sinterizações repetidas, impregnação com lubrificantes, tratamento térmico ou químico-térmico.

A prensagem repetida e a sinterização resultam em peças de maior densidade. Os materiais sinterizados podem ser forjados, laminados, estampados a temperaturas elevadas. O processamento por pressão permite reduzir a porosidade dos materiais e aumentar sua plasticidade.

Os materiais metálicos em pó são materiais sinterizados feitos usando o método de dosagem, formação e sinterização de pó. Esses materiais incluem ligas duras, compósitos reforçados por dispersão, materiais anti e fricção, aços em pó, metais não ferrosos sinterizados, materiais metálicos porosos.

Para obter peças sinterizadas a partir de aço em pó, são utilizadas misturas de pós de ferro e ligas, bem como pós de aço carbono e ligas. Métodos de obtenção de aços em pó: prensagem a frio e sinterização; dupla prensagem e sinterização; prensagem a quente; estampagem a quente. O tratamento térmico de aços em pó é realizado em ambientes de proteção especiais. Para evitar o processo de oxidação, é utilizado óleo ou água para resfriar os aços. Os aços em pó têm um elemento estrutural característico - os poros. Quanto maior a porosidade do material, menor a densidade, resistência e tenacidade do aço. No entanto, muitas características dos materiais não dependem monotonamente da porosidade. Assim, a resistência à trinca e resistência ao impacto do ferro em pó varia não monotonicamente dependendo da porosidade.

Materiais antifricção sinterizados em pó preparados com cobre e aço têm se difundido na engenharia mecânica moderna. Para a preparação de materiais mais duráveis e de alta qualidade, são utilizados aditivos especiais: fluoreto de cálcio, grafite, nitreto de boro turboestrático. Como resultado, uma estrutura porosa é formada após o processo de sinterização. Os canais de poros dessa estrutura podem reter partículas de óleo e outros lubrificantes líquidos. Os materiais com estrutura porosa são os mais adequados para substituir as ligas antifricção de bronze e metal babbit, que são bastante caras de usar.

Na metalurgia do pó, são produzidas cerâmicas minerais, que são obtidas usando ferro, cobalto e outros metais refratários. Os produtos de berílio também são fabricados por metalurgia do pó. Processo de fabricação: moldagem e sinterização, deformação plástica a quente.

51. Vidros inorgânicos. Cerâmica técnica

Vidro inorgânico - materiais isotrópicos amorfos quimicamente complexos que possuem as propriedades de um sólido frágil.

Os óculos são:

1. Formadores de vidro - base:

a) Si0₂ - vidro de silicato, se Si02 > 99%, então é vidro de quartzo;

b) IA₂O₃ + Si0₂ - vidro aluminossilicato;

c) B₂0₃ + Si0₂ - vidro de borossilicato;

d) IA₂0₃ + B₂0₃ + Si0₂ - vidro de aluminoborossilicato;

2. Modificadores são introduzidos para dar ao vidro certas propriedades. A introdução de óxidos de metais alcalino-terrosos (grupo I, II: Na, K) reduz o ponto de amolecimento. Óxidos de cromo, ferro e vanádio dão ao vidro certas cores. Os óxidos de chumbo aumentam o índice de refração. Dependendo do número de modificadores, o vidro pode ser: alcalino com modificadores de até 20-30%, sem álcalis - até 5% de modificadores, vidro de quartzo - sem modificadores;

3. Compensadores, suprimem o impacto negativo dos modificadores. Vidros em automóveis, fibra de vidro, óptica, baixa condutividade térmica, insolúvel em ácidos e álcalis.

Propriedades do vidro: os vidros são caracterizados por alta dureza e resistência à tração. Teoricamente, a resistência à tração atinge 10–12 GPa. Módulo elástico E = 70 GPa. Dureza Vickers HV ~ 750 kgf/mm2. Praticamente, a resistência à tração é de 50-100 MPa. Baixo aB é explicado por fatores: alto coeficiente de expansão linear. À medida que o vidro esfria, tensões de tração são formadas em sua superfície, o que leva ao aparecimento de rachaduras. O vidro é um bom isolante térmico, o que também leva a rachaduras. O vidro não resiste a cargas dinâmicas.

Métodos de endurecimento de vidro:

1) decapagem para remover a camada superficial defeituosa. A resistência à tração aumenta para 3000 MPa. Um método ineficiente, pois no futuro o vidro interage com partículas abrasivas ou materiais sólidos;

2) criação de tensões de compressão na superfície. Para fazer isso, o endurecimento é realizado, o aquecimento é realizado a uma certa temperatura e, em seguida, é resfriado em um determinado modo (temperatura de aquecimento, resfriamento e tempo de espera). A resistência à tração aumenta para 1000-1500 MPa;

3) aplicação de materiais poliméricos na superfície do vidro. O aglutinante de polímero cola microfissuras na superfície do vidro.

O vidro de quartzo possui uma alta permeabilidade a gases (hélio, hidrogênio, néon) em comparação com outros vidros de silicato, que, além do dióxido de silício, contêm óxidos de metais alcalinos e alcalino-terrosos.

Existem dois parâmetros que unem a estrutura dos vidros de fosfato duplo com a estrutura dos vidros de silicato duplo: a unidade estrutural básica são os grupos tetraédricos elemento-oxigênio; a adição de óxidos modificadores aumenta o número de átomos de oxigênio sem ponte.

O endurecimento e o derretimento do vidro ocorrem gradualmente em uma determinada faixa de temperatura. Portanto, não há solidificação específica ou ponto de fusão. No processo de resfriamento, o fundido passa do estado líquido para o plástico e, depois disso, para o sólido (processo de transição vítrea).

Vidros orgânicos são polímeros orgânicos - poliacrilatos, policarbonatos, poliestireno, copolímeros de cloreto de vinila com metacrilato de metila, que estão em estado vítreo. Vidros à base de polimetilmetacrilato encontraram a maior aplicação prática. De acordo com sua tecnologia, mecanismo de endurecimento e estrutura, os vidros orgânicos diferem dos inorgânicos.

Vidros elementares são capazes de formar um pequeno número de elementos - enxofre, selênio, arsênico, fósforo, carbono.

Os vidros de haleto são produzidos com base no componente formador de vidro BeF2. As composições multicomponentes de vidros de fluoroberilato incluem fluoretos de alumínio, cálcio, magnésio, estrôncio e bário. Os vidros de fluoroberilato são amplamente utilizados na prática devido à sua alta resistência à radiação forte, incluindo raios X, e meios agressivos, como flúor e fluoreto de hidrogênio.

Métodos de obtenção de vidros por evaporação a vácuo, condensação da fase de vapor e pulverização de plasma estão ganhando importância industrial. Nestes casos, o vidro pode ser obtido a partir da fase gasosa, contornando o estado fundido.

Cerâmica - um material inorgânico obtido pela moldagem de massas no processo de queima de alta temperatura. As cerâmicas de óxido têm alta resistência à compressão em comparação com a resistência à tração ou à flexão. Estruturas de granulação fina são mais duráveis. Com o aumento da temperatura, a resistência da cerâmica diminui. As cerâmicas de óxido puro não estão sujeitas ao processo de oxidação.

Cerâmica sem oxigênio. Os materiais são muito frágeis. A resistência à oxidação em altas temperaturas de carbonetos e boretos é de 900-1000 °C, para nitretos é menor. Os silicatos suportam temperaturas de 1300-1700 °C. A tais temperaturas, forma-se um filme de sílica na superfície.

52. Polímeros, plásticos

Polímeros são substâncias cujas macromoléculas consistem em numerosas unidades elementares repetidas que representam o mesmo grupo de átomos. O peso molecular das moléculas varia de 500 a 1000000.

Nas moléculas de polímeros, distingue-se uma cadeia principal, que é construída a partir de um grande número de átomos. As cadeias laterais são mais curtas.

Polímeros cuja cadeia principal contém os mesmos átomos são chamados de homocadeia, e se os átomos de carbono são cadeia de carbono. Polímeros contendo diferentes átomos na cadeia principal são chamados de heterocadeia.

As macromoléculas poliméricas são classificadas de acordo com sua forma em lineares, ramificadas, planas, em fita, espaciais ou reticulares.

As macromoléculas poliméricas lineares são longas cadeias em zigue-zague e torcidas, inerentemente flexíveis, limitadas a seções rígidas - segmentos constituídos por vários elos. Essas macromoléculas têm alta resistência ao longo da cadeia principal, são fracamente interconectadas e fornecem alta elasticidade ao material. O aquecimento causa o amolecimento e o resfriamento subsequente faz com que o polímero (poliamida, polietileno) endureça.

Uma macromolécula ramificada contém ramificações laterais e isso dificulta a aproximação das macromoléculas e reduz a interação intermolecular. Polímeros com esta forma são caracterizados por resistência reduzida, maior fusibilidade e friabilidade. As formas reticuladas de macromoléculas são características de polímeros mais duráveis, insolúveis e infusíveis que são propensos a inchar em solventes e amolecer quando aquecidos.

As macromoléculas poliméricas são flexíveis.

Plásticos (plásticos) são materiais orgânicos baseados em polímeros que são capazes de amolecer quando aquecidos e sob pressão para assumir uma certa forma estável. Plásticos simples são compostos apenas de polímeros químicos. Plásticos complexos incluem aditivos: cargas, plastificantes, corantes, endurecedores, catalisadores.

Os enchimentos são introduzidos em plásticos em uma quantidade de 40-70% para aumentar a dureza, resistência, rigidez e conferir propriedades específicas especiais. Os enchimentos podem ser tecidos e substâncias pulverulentas e fibrosas.

Os plastificantes (estearina, ácido oleico) ajudam a aumentar a elasticidade, a plasticidade e facilitam o processamento de plásticos.

Endurecedores (aminas) e catalisadores (compostos de peróxido) são adicionados aos plásticos para cura.

Corantes (pigmentos minerais, soluções alcoólicas de tintas orgânicas) dão aos plásticos uma certa cor e reduzem seu custo. A composição dos componentes, sua combinação e proporção quantitativa permitem alterar as propriedades dos plásticos em uma ampla faixa. Os plásticos são classificados de acordo com as características.

Por tipo de enchimento: com enchimento sólido; com enchimento gasoso.

De acordo com a reação do polímero aglutinante ao aquecimento repetido. Os plásticos termoplásticos à base de um polímero termoplástico amolecem quando aquecidos e endurecem no resfriamento subsequente (polímeros puros ou composições de polímeros com plastificantes, antioxidantes).

Os termoplásticos são caracterizados por um baixo encolhimento de 1-3%. Eles são caracterizados por baixa fragilidade, alta elasticidade e capacidade de orientação.

Os plásticos termoendurecíveis à base de polímeros termoendurecíveis (resinas) após tratamento térmico - cura - entram em um estado termoestável e são quebradiços, apresentam grande encolhimento de 10 a 15% e contêm cargas em sua composição.

Por aplicação, eles são divididos em grupos: estruturais - para peças de potência e estruturas, para peças sem potência; juntas, vedação; atrito e antifricção; isolamento térmico eletricamente isolante, radiotransparente; resistente ao fogo, óleos, ácidos; viradas e decorativas.

O polietileno pode ser usado por muito tempo a 60-100 °C. A resistência ao gelo atinge -70 ° C e abaixo. Quimicamente resistente e insolúvel em solventes, é utilizado para isolar as bainhas protetoras de cabos, fios, partes de instalações de alta frequência e na fabricação de peças resistentes à corrosão - tubos, juntas, mangueiras. É produzido na forma de filme, folhas, tubos, blocos. O polietileno está sujeito ao envelhecimento.

O poliestireno é um polímero amorfo, sólido e transparente que possui estrutura linear, altas propriedades dielétricas, resistência mecânica satisfatória, baixa temperatura operacional (até 100 °C), resistência química a álcalis, ácidos minerais e orgânicos, óleos. Incha em 65% de ácido nítrico, ácido acético glacial, gasolina e querosene. Em temperaturas acima de 200 °C, ele se decompõe para formar estireno. O poliestireno é usado para a produção de peças levemente carregadas e isoladores de alta frequência. Desvantagens - fragilidade a baixas temperaturas, tendência à formação gradual de rachaduras na superfície.

Os plásticos são amplamente utilizados na engenharia mecânica e na fabricação de instrumentos para a fabricação de peças. Plásticos para fins elétricos são usados como materiais isolantes elétricos em estruturas de máquinas.

Autor: Buslaeva E.M.

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Note-se que o espaço interestelar nunca é tão frio, pois é preenchido uniformemente com radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Segundo os cientistas, a matéria criada é ainda mais fria do que a Nebulosa do Bumerangue, que é a região mais fria conhecida do espaço. A temperatura está apenas um grau acima do zero absoluto.

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