38. Инструментальные стали

Стали для режущего инструмента

 

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

Режущие кромки могут нагреваться до температуры 500…900^oС, поэтому важным свойством является теплостойкость, т. е., cпособность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

 

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435).

 

Содержат 0,65…1,35% углерода.

Стали У7…У13А – обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны.

Из сталей марок У7, У8А изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость – пуансоны, зубила, штампы, молотки.

Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью – используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

Легированные инструментальные стали

 

Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.

Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого зерна, повыщения прочности и вязкости.

Термическая обработка включает закалку и отпуск.

Быстрорежущие стали

 

Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650^oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания.

Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта

Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650^oС и вторичную твердость HRC 67…70.

Основными видами рехущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

Стали для измерительных инструментов

 

Основными требованиями, предъявляемыми к сталям, из которых изготавливаются измерительные инструменты, являются высокая твердость и износоустойчивость, стабильность в размерах в течение длительного времени. Последнее требование обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени.

Штамповые стали

 

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы) изготавливают из штамповых сталей.

Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

 

Стали для штампов холодного деформирования.

 

Стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением пластическим деформациям. Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска на твердость 57…59 HRC. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость.

Для более крупных изделий применяют легированные стали Х, Х9, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей.

Стали для штампов горячего деформирования

 

Дополнительно к общим требованиям, от сталей этой группы требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа, высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.

Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости

65. Композиционные материалы

 

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

 

69. Материалы порошковой металлургии

 

Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются

1. возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

2. значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

3. возможность получения материалов максимальной чистоты;

4. простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Пористые порошковые материалы

 

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

22. Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рис.6.4 )

В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.

С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются .Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.

24. Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Характеристики:

 относительное удлинения.

и – начальная и конечная длина образца.

– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

 относительное сужение

- начальная площадь поперечного сечения

-площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

26. В результате испытаний получают характеристики:

силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);

деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);

энергетические (ударная вязкость).

Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность.

Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

27. Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы:

конструкционные особенности детали (форма и размеры);

механизмы различных видов разрушения детали;

состояние материала в поверхностном слое детали;

процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии.

Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.

Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы.

Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.

Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются:

аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;

аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения;

аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.

28. РЕКРИСТАЛЛИЗА́ЦИЯ, один из видов термической обработки материалов (металлов и сплавов), приводящий к повышению структурного совершенства и уменьшению свободной энергии материала в пределах данной фазы. Процесс рекристаллизации происходит за счет возникновения, движения и исчезновения или только движения и исчезновения границ с большими углами разориентировки. Как правило, используется для снятия эффекта упрочнения, возникшего в результате деформации.

Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах. Скорость рекристаллизации экспоненциально возрастает с повышением температуры. Температура рекристаллизации зависит от состава сплава.

Различают 3 стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация, сопровождается образованием новых неискаженных кристаллитов в деформированном материале. Происходит формирование областей, свободных от дислокаций или значительно более совершенных, чем окружающая матрица (зародышей или центров рекристаллизации), и отделенных от нее границами с большими углами разориентировки. Зародыши рекристаллизации растут за счет окружающей деформированной матрицы. Зародыши формируются, как правило, при росте субзерен, оформившихся при полигонизации. При первичной рекристаллизации происходит наиболее радикальное восстановление структуры и свойств недеформированного материала.

Собирательная рекристаллизация, сопровождается увеличением средней величины зерна за счет роста неискаженных зерен за счет друг друга. Основной движущей силой собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению энергии границ зерен за счет уменьшения их протяженности.

Вторичная рекристаллизация, при которой только отдельные зерна оказываются способными расти со значительно большей скоростью, чем другие, т. е. играть роль вторичных центров, тогда как при собирательной рекристаллизации таких зерен нет. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зерен (разнозернистость).

Рекристаллизация устраняет структурные дефекты, изменяет размеры зерен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру).

29. В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.

При этих температурах деформация также вызывает упрочнение «горячий наклеп», которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающей при температурах обработки и при последующем охлаждении. В отличие от статической полигонизации и рекристаллизации, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.

При горячей обработке давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке и т. д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокаций) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокаций) при динамической полигонизации и рекристаллизации во время деформации и охлаждения. В этом основное отличие динамической полигонизации и рекристаллизации от статической.

Горячую деформацию в зависимости от состава сплава и скорости деформации обычно проводят при температурах (0,7-0,75) Тпл.

Когда металл после деформации имеет частично рекристаллизованную рекристаллизованную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей, или теплой, деформацией.

30. Горячая пластическая деформация характеризуется тем, что в деформируемом металле протекает процесс р е- кристаллизации — возникновения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру и упрочнение металла, деформированного в холодном состоянии.

В отличие от неполной горячей при горячей пластической деформации строчечная структура ликвидируется, а волокнистое строение металла сохраняется, поскольку вытянутые в момент деформирования неметаллические включения рекристаллизации не подвергаются. У горяче- деформированного металла механические свойства вдоль волокон выше, чем поперек, поэтому изготовлять поковки следует так, чтобы направление волокон совпадало с направлением максимальных рабочих напряжений, возникающих в детали при ее эксплуатации.

19. Ликвация – неоднородность химического состава сплавов, возникающая при кристаллизации.

Ликвация обусловлена тем, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур.При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних капель кристаллизующегося маточного раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали – сера, кислород, фосфор, углерод). Ликвация оказывает, как правило, вредное влияние на качество металла.

Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, близких к размеру зерен.

Дендритная ликвация может быть ослаблена продолжительным нагревом затвердевшего сплава при температурах, обеспечивающих достаточную скорость диффузии (несколько ниже солидуса). После такого нагрева, называемого диффузионным отжигом или гомогенизацией, дендритная структура литого сплава уже не выявляется и сплав состоит из однородных кристаллов твердого раствора.

Диффузионный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации.

Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают диффузионному отжигу, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением из-за быстрой диффузии углерода в аустените дендритная ликвация успевает исчезнуть. Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких де­фектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие; внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).

Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают гомогенизирующему или диффузионному отжигу. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть до высоких температур 1100-1200°С, так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали. Диффузия наиболее интенсивно протекает в начале выдержки, заметно снижаясь с течением времени. Поэтому во избежание образования большого количества окалины, уменьшения расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна быть минимальной, обычно 15-20 ч. После выдержки садку охлаждают до 800-820°С в печи, а далее на воздухе.

Во многих случаях для уменьшения дендритной ликвации не проводят специального диффузионного отжига, а выполняют более высокий и длительный нагрев для горячей деформации. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением или в процессе последующей термической обработке.

20. Закон Курнакова устанавливает связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов.

Верхний ряд составляют виды диаграмм состояния, второй ряд — характер изменения твердости, третий ряд — характер изменения электропроводности по закону Курнакова.

В сплавах I типа свойства изменяются прямолинейно от одного компонента к другому, в сплавах II типа изменение свойств идет неравномерно, причем твердость при увеличении содержания компонента сначала возрастает, а затем падает; электропроводность, наоборот, вначале падает, потом возрастает.

В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов свойства изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к I или II типу: сначала, пока образуется твердый раствор, свойства изменяются неравномерно; далее, когда образуется смесь растворов, свойства изменяются прямолинейно; затем опять неравномерно.

Изменения свойств в сплавах — химических соединениях выражаются ломаными линиями, и каждое из них может быть представлено двумя различными прямыми на двух отдельных диаграммах, так же как и сама диаграмма может быть разделена на две диаграммы I типа.

Для определения свойств всех сплавов системы по закону Курнакова достаточно иметь данные о свойствах компонентов, составляющих эту систему, и диаграмму состояния сплавов.

41. мартенситное превращение, полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решётки в микрообластях обычно сводится к деформации ее ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (порядка 1—10 %) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, — сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе.

Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах. Наиболее полно изучены мартенситные превращения в сплавах на основе железа, в частности в связи с закалкой стали.

70. наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы,

геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают

100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и

эксплуатационными характеристиками;

классификация наноматериалов:

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры

которых в одном, двух или трех пространственных координатах не

превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные

частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие

пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут

содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц

порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую

категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом

структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных

изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм.

Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже

значительное число структурных элементов и их можно классифицировать

как наноматериалов с большим числом структурных элементов

(кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе

объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне

(более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа

наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются

поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.