Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления,

возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в

пространстве.

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. место, где по той или иной причине отсутствуют атомы

Межузельный атом – атом, перемещенный из узла в позицию между узлами

Атомы внедрения – это атомы примесного элемента, находящиеся в междоузлиях кристаллической решетки

Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами.

Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химическую реакцию с образованием соединения

Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов.

Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в друге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций

Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. Неограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость – способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под действием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности от температуры нагревания и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются параметры режимов резания и качество поверхностного слоя.

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.).

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.

Способ Бринелля (ГОСТ 9012–59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой закаленный шарик (индентор). По способу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора в виде конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С)

способом Виккерса =в поверхность образца вдавливается алмазный индентор (наконечник), имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине 136°.

Сумма смещений атомов в новые положения равновесия создает пластическую деформацию или остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации

2. Диаграмма «железо – углерод (цементит)»

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ABCD (ликвидус) и AHIECF (солидус)

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α, мягкая, пластичная фаза (σ_В = 300 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02% (точка P), в высокотемпературном – 0,1% (точка H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ, более твердый и пластичный (δ = 40–50 %, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14 % (точка Е).

Цементит – химическое соединение Fe₃C, имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита точно не установлена и колеблется от 1250 до 1700 °С (по данным различных источников). Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабо ферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, – чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита, и является прочной структурной составляющей (σ_В = 800–900 МПа, δ = 16 %, 1800 HB).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147–727 °С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14% С.

Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.

Стали подразделяются на доэвтектоидные (содержание углерода от 0,02 до 0,8 %, структура Ф+П), эвтектоидные (содержание углерода 0,8 %, структура П), заэвтектоидные (содержание углерода от 0,8 до 2,14 %, структура П+Ц_II). Чугуны подразделяются на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %, структура П+Л+Ц_II), эвтектические (содержание углерода 4,3 %, структура Л), заэвтектические (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %, структура Л+Ц_I).

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий: нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоростью.

Нагрев стали до высоких температур, приводящий к образованию крупного действительного зерна и получению видманштеттовой структуры, называется перегревом стали.

Мартенситное превращение аустенита происходит в том случае, когда аустенит переохлажден до низких температур, при которых исключена диффузия.

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации. Это достигается за счет диффузионных процессов.

Рекристаллизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий наклепа в холоднодеформированном металле или сплаве. Для этого его нагревают выше температуры начала рекристаллизации (~100°С), выдерживают при этой температуре для достижения рекристаллизации по всему объему и медленно охлаждают.

Отжиг, уменьшающий напряжение, – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением, литье, сварке, шлифовании, обработке резанием и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650 °С в зависимости от марки стали и способа обработки.

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А₃ на 30–50 °С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100 °С/час. Температурный интервал нагрева для полного отжига показан на стальной части диаграммы «Fe – Fe₃C» (рис. 4.7). Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры А₃ + (30–50 °С), последующем ускоренном охлаждении до температуры изотермической выдержки ниже точки А₁ и дальнейшем охлаждении на спокойном воздухе.

Нормализационный отжиг (нормализация) применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температуры А₃ + (30–50 °С) и заэвтектоидную – А_ст + (30–50 °С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, при котором образуется неравновесная структура. Существует закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к тем металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.

Непрерывная закалка (1) – наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из углеродистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, менее 5 мм и легированных – масло.

Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в интервале температур 750–400 °С в воде, затем переносят в другую охлаждающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, где происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и к опасности появления трещин. Применяется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.

Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств.

Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения М_К значительно ниже 0 °С. Если закаливать эти стали обычным способом, то, наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т. к. в процессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки. Необходимым условием закаливаемости стали является переохлаждение ее до температуры ниже точки М_Н.

Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А₁, с последующим охлаждением с необходимой скоростью (чаще всего на воздухе) называют отпуском.

Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействий с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке.

Конструкционные СТАЛи и сплавы

Легирующие элементы – примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Стали, содержащие такие примеси, называются легированными.