Механические свойства и способы определения их количественных характеристик

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость.

 В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести. Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Условный предел текучести– это напряжение вызывающее остаточную деформацию

 Предел прочности –Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Характеристики: относительное удлинение - d; и Ln и Lk – начальная и конечная длина образца.

Диаграмма состояния железо-углерод

Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe3C

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов:

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С . 2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой или в форме алмаза со сложной кубической решеткой. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). 3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Фазы железоуглеродистых сплавов

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит. 1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. 2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо. 3. 3.Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в g-железо.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. Линия AHJECF – линия солидус. – конец кристаллизации. На линии HJB идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит LB +Фн→AJ . На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного. По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита.По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения. По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита.

Углеродистые стали

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

C увеличением в стали углерода возрастает твердость, временное сопротивление, предел текучести, но уменьшается относительное удлинение, относительное сужение, удельная вязкость. При содержании в стали углерода более 1% ее твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается. Это объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита, образующего сплошную сетку. При испытаниях на растяжение в этой сетке возникают высокие напряжения и цементит, будучи хрупким разрушается. Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением, ухудшает свариваемость.

Углеродистая сталь – многокомпонентный сплав, содержащий кроме железа и углерода ряд постоянных или неизбежных примесей : Mn , Si, S, P, O, N, H и др. которые оказывают влияние на ее свойства.

ВЛИЯНИЕ МАРГАНЦА И КРЕМНИЯ

Содержание кремния в виде примеси составляет обычно до 0,4%, марганца – до 0,5-0,8% . Марганец и кремний переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь. Раскисление улучшает свойства сталей. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний сильно повышает предел текучести стали. Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

ВЛИЯНИЕ СЕРЫ

Сера является вредной примесью. Образуя с железом химическое соединение FeS и реагируя с железом оно образует легкоплавкую эвтектику. Эвтектика образуется даже при очень малых количествах серы. Кристаллизуясь из жидкости, эвтектика располагается по границам зерен, при нагреве стали до температур прокатки или ковки эвтектика расплавляется , нарушая связь между зернами. В местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость. марганец уменьшает красноломкость Сернистые соединения сильно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность. Содержание серы не должно превышать 0,035 – 0,06 %

ВЛИЯНИЕ ФОСФОРА

Фосфор – вредная примесь. Содержание его не должно превышать 0,025 – 0,045 %. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку, увеличивает временное сопротивление и снижает пластичность и вязкость. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации.

ВЛИЯНИЕ АЗОТА, КИСЛОРОДА и ВОДОРОДА

Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений. Они являются концентратами напряжений, сильно понижают предел выносливости, вязкость. Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и крупных поковках флокенов. Это очень тонкие трещины овальной или округлой формы.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕй

Конструкционные: Обычного качества, Качественные. Инструментальные: Качественные, Высококачественные.

1.по химическому составу они могут быть: -низкоуглеродистыми ( менее 0,3 % С); -среднеуглеродистые ( 0,3-0,6 % С); -высокоуглеродистые ( свыше 0,7 % С).

2. по качеству: -стали обыкновенного качества; -качественные; -высококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства.

Нормы содержания Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% серы и 0,07 % фосфора. Качественные стали - не более 0,04 % серы и 0,03 % фосфора. Высококачественные - не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора. Особовысококачественные - не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора.

3.По способу производства: стали подразделяются на: Бессемеровскую Мартеновскую Кислородно-конвертерную Электростали

4.По способу раскисления и характеру затвердевания: -Спокойные (СП); -Полуспокойные (ПС); -Кипящие (КП)

Раскисление – это процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали – раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделений. Кипящие стали – раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействия с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Полуспокойные стали – промежуточные между кп и сп.

5 . По назначению стали подразделяются на: -конструкционные – (идущие для изготовления деталей машин и приборов, конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам). Основное требование, предъявляемое к ним – конструкционная прочность. Как правило, они содержат до 0,6 % С. инструментальные – ( идущие для изготовления инструментов) Главное требование – высокая твердость и износостойкость. Содержание углерода в них как правило более 0,6% С.

 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Они наиболее дешевы, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями. Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок: Ст0 Ст1кп Ст2кп Ст3кп Буквы Ст – обозначают «сталь», цифра – условный номер марки в зависимости от химического состава, кп,сп, пс – степень раскисления.  

Из сталей обыкновенного качества изготавливается: балки, швеллеры, уголки прутки, а также листы, трубы, поковки.

УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ

Эти стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по хим. Составу и структуре. Содержание серы - не более 0,04 % фосфора – не более 0,035-0,04 %.Различают следующие марки качественных углеродистых сталей:  08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 49, 45, 50, 55, 60, 65 Цифра – показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Спокойные стали маркируются без индекса,, полуспокойные и кипящие с индексом- пс или кп.

Низкоуглеродистые стали (С менее 0,25%) 05кп, 08,10,10кп – обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Среднеуглеродистые стали (0,3-0,5%С) Высокоуглеродистые стали 60,65,70 –в основном используются для изготовления пружин и рессор.

Инструментальные углеродистые сталиУ7,У8,У8АГ,У9,У10,У11,У12,У13 Маркируются буквой У и цифрами, показывающими среднюю массовую долю углерода в десятых долях % . Г – повышенная массовая доля марганца

Автоматные стали Это стали с улучшенной обрабатываемостью резанием. Достигается это введением в конструкционную сталь серы, свинца, фосфора. Автоматные стали маркируют буквой «А»- автоматная, присутствие свинца обозначается С» «. Цифра – среднее содержание углерода в сотых долях процента

 

ЧУГУНЫ

Чугуны - это сплавы железа, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода. Чугуны – более дешевый материал, чем стали. Они обладают пониженной температурой плавления, хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки более сложных форм, чем из сталей. Чугуны плохо деформируются (в обычных условиях не поддаются ковке). Благодаря сочетанию высоких литейных свойств с достаточно высокой прочностью и износостойкостью, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием или из поковок или штамповок.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод в сплавах, различают следующие виды чугунов: белые - углерод или часть его находится в связанном состоянии. серые- углерод или часть его находится в виде графита пластинчатой формы. высокопрочные - графит шаровидной формы. ковкие - графит в виде хлопьев. В структуре чугунов с графитом различают включения графита и металлическую основу, которая может быть - ферритная, феррито-перлитная или перлитная.

Белый чугун

Такое название он получил по виду излома, который имеет белый, блестящий вид. Углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии, в виде цементита. В зависимости от содержания углерода белые чугуны могут быть: доэвтектическими ( перлит +цементит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) заэвтектическими ( цементит и ледебурит)

Серый чугун

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна весь углерод или его часть находится в виде графита. Графит - это аллотропическая модификация чистого углерода. Кристаллическая решетка графита - гексагональная, слоистая, что делает графит малопрочным и мягким. Процесс образования в чугунах графита называется графитизацией.

Высокопрочные чугуны

Высокопрочным называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Ковкие чугуны

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Ковкие чугуны – условное название более пластичного по сравнением с серым чугуна

Термическая обработка Теория термической обработки

Термической или тепловой обработкой называются процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением с целью изменения структуры сплава и получения необходимых свойств.

ЦЕЛЬЮ ТО – является изменение свойств металла путем изменения его структуры. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ТО – температура и время.

Термическая обработка ТО - заключается только в термическом воздействии на металл. Термомеханическая ТМО – заключается в сочетании термического воздействия и пластической деформации. Химико-термическая обработка ХТО- в сочетании термического и химического воздействия.

Основные виды ТО

Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние. Отжиг (второго рода) – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава. Закалка – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Отпуск – нагрев закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния .

Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев. Термомеханическая (термопластическая) обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа