- •Министерство образования рф
- •Лекция 1 Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники
- •Собственные полупроводники
- •Примесные полупроводники
- •Лекция 2 Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение Диоды
- •Прямое включение: Обратное включение:
- •Стабилитроны
- •Варикапы
- •Светодиоды
- •Фоторезисторы
- •Люкс-амперная характеристика фоторезистора Фотоэлементы с p-n-переходом
- •Фотодиоды
- •Упрощенная структура фотодиода и его условное графическое обозначение
- •Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники
- •Эффект Холла
- •Тензорезисторы
- •Лекция 3 Механические свойства материалов
- •Диаграмма растяжения
- •Пластичность и хрупкость. Твердость
- •Кривые растяжения материалов: а-хрупкого, б-пластичного
- •Способы измерения твёрдости
- •Для каждого материала существует установленная госТом сила вдавливания f
- •Твёрдость материала по Бринелю рассчитывают исходя из площади отпечатка.
- •Влияние энергии химических связей на свойства материалов
- •Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг
- •Лекция 4 Кристаллизация металлов
- •Самопроизвольная кристаллизация
- •Кривые охлаждения металла
- •Изменение скорости образования зародышей (с. З.) и скорости роста кристаллов (с. Р.) в зависимости от степени переохлаждения
- •Несамопроизвольная кристаллизация
- •Получение монокристаллов
- •Схемы установок для выращивания монокристаллов
- •Аморфное состояние металлов
- •Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях Полиморфизм
- •Лекция 5 Влияние нагрева на структуру и свойства металлов
- •Холодная и горячая деформации
- •Термическая обработка металлов и сплавов Определения и классификация
- •Нагрев для снятия остаточных напряжений
- •Рекристаллизационный отжиг
- •Диффузионный отжиг (гомогенизация)
- •Лекция 6 Термохимическая обработка Назначение и виды химико-термической обработки
- •Цементация
- •Цианирование и нитроцементация
- •Азотирование
- •Диффузионная металлизация
- •Алитирование (Al)
- •Хромирование (Cr)
- •Борирование (b)
- •Силицирование (Si)
- •Поверхностно-пластическая деформация
- •Литье под давлением
- •Центробежное литье
- •Литье под низким давлением
- •Литье выжиманием
- •Лекция 8 Конструкционные материалы Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
- •Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки
- •Классификация конструкционных материалов
- •Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности
- •Классификация конструкционных сталей
- •Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •Превращения в сплавах системы железо-цементит
- •Диаграмма состояния Fe-Fe3c
- •Характерные точки диаграммы состояния железо-цементит
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Лекция 9 Цветные сплавы Медные сплавы
- •Свойства промышленных латуней, обрабатываемых давлением
- •Сплавы на основе алюминия
- •Механические свойства алюминия
- •Сплавы на основе магния
- •Титан и сплавы на его основе
- •Механические свойства иодидного и технического титана
- •Лекция 10 Органические полимеры
- •Дополнительные компоненты полимерных композиций
- •Неполярные и слабополярные термопласты
- •Полярные термопласты
- •Термореактивные полимеры
- •Слоистые пластмассы
- •Металлопласты
- •Лекция 11 Неорганические материалы
- •Кристаллическая решетка графита
- •Неорганическое стекло
- •Ситаллы
- •Керамика
- •Лекция 12 Композиционные материалы Композиционные материалы с металлической матрицей
- •Композиционные материалы с неметаллической матрицей
- •Бороволокниты
- •Органоволокниты
- •Список литературы
Классификация конструкционных сталей
Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре и прочности.
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромокремнемарганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные - не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие слали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные - всех классов.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Сталь — сложный по составу железоуглеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих элементов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на ее свойства.
Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.
После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали.
Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4%С. При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механические свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.
Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.
Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.
Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.
Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды, исключающие образование легкоплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды, так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т. п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.
Фосфор - вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.
Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения - повышение качества шихты.
Кислород, азот и водород - вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение.
Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке.
Случайные примеси - элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керченских - мышьяк. Случайные примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.