- •Курс лекций по материаловедению
- •Предисловие
- •Рекомендуемая литература
- •1(1). Предмет материаловедения. Историческая справка
- •2(2). Мировое производство основных материалов
- •3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
- •4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал
- •5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов
- •6. Виды контроля, параметры и методы оценки качества материалов
- •7(12). Механические испытания материалов
- •8(13). Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •9. Испытания на изгиб и сжатие
- •10(14). Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •11(15). Определение ударной вязкости при изгибе
- •12. Испытание на вязкость разрушения
- •13. Испытание на усталость. Живучесть
- •14. Стандарты на материалы. Принципы маркировки и сортамент металлических материалов
- •15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования
- •16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности
- •17(6). Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия кристаллов
- •18(7). Точечные, линейные и поверхностные дефекты в кристаллах, влияние на прочность
- •19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп
- •20(10). Возврат и рекристаллизация
- •21. Холодная и горячая деформация. Сверхпластичность. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •22(17). Полиморфные превращения
- •23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси
- •24. Диаграммы фазового равновесия
- •25. Правило фаз и правило отрезков
- •26. Ликвация в сплавах
- •27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
- •31(22). Структурные классы легированных сталей
- •32(23). Цели легирования
- •33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
- •34(24). Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка
- •35(25). Виды отжига и их назначение
- •36(26). Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
- •37(27). Искусственное и естественное старение сплавов
- •38. Виды брака при термообработке
- •39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение
- •41(9). Объемное и поверхностное деформационное упрочнение
- •42(30). Классификация сталей
- •43(31). Конструкционные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •1. Углеродистые стали
- •2. Легированные стали
- •44(32). Инструментальные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
- •47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •49(35). Алюминий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •50(36). Титан и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •51(37). Медь и сплавы на ее основе, маркировка, свойства и область применения
- •52. Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
- •55. (40). Неметаллические материалы. Классификация полимеров
- •56. (40). Пластические массы, состав, свойства и область применения
- •57. Эластомеры. Состав, классификация и свойства резин
- •58. Клеящие материалы и герметики, состав, классификация и свойства
- •59. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения
- •60. Порошковые материалы, структура, свойства и область применения
- •61. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения
- •62. Наноматериалы
- •63. Древесные материалы, классификация, свойства и область применения
- •64. Вспомогательные материалы. Смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, асбест, бумага кожа, текстиль
- •65. Защитные и декоративные покрытия. Лакокрасочные, электролитические и горячие покрытия. Плакирование
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Приложение в Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса
- •Содержание
45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами составляют особую группу конструкционных материалов узкоспециализированного назначения, для которых важнейшими являются те или иные конкретные физические свойства, а механические и технологические имеют второстепенное значение.
1. Магнитно-мягкие стали и сплавы обладают низкими потерями при перемагничивании; используются для изготовления магнитопроводов электрических машин: генераторов, двигателей, трансформаторов. Электротехнические стали для уменьшения потерь содержат до 4,8 % Si; маркируются цифрами, например, 1212, 2211, 3406. Железо-никелевые сплавы типа пермаллой (например, 50НХС) используются в радиоэлектронике для изготовления высокочастотных магнитопроводов трансформаторов и т. п.
2. Магнитно-твердые стали и сплавы обладают высокой магнитной энергией, пропорциональной произведению магнитной индукции Вr на коэрцитивную силу Нс; используются для изготовления постоянных магнитов. В промышленности нашли применение высокоуглеродистые стали легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ9К15М2), сплавы типа алнико (ЮНДК15, ЮНДК35Т5АА – монокристаллический) и многие другие.
3. Парамагнитные (немагнитные) стали, например, 17Х18Н9, 55Г9Н9Х3 имеют аустенитную структуру; используются в электротехнике и приборостроении.
4. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением имеют специальные названия; изготавливаются на железной (Х13Ю4 – фехраль, 0Х23Ю5 – хромель) и никелевой (Х15Н60 и Х20Н80 – нихром) основе; применяются для изготовления нагревательных элементов, резисторов, термопар и. т. п.
5. Существуют также сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (36Н – инвар, 29НК – ковар), заданным температурным коэффициентом модуля упругости (42НХТЮ – элинвар), эффектом «памяти формы» (Н50Т50 – нитинол) и многие другие.
46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
Чугуны благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости и дешевизне широко применяются в промышленности всех стран. В отечественном машиностроении 77 % отливок изготавливают из чугуна, 21 % – из стали и 2 % – из цветных металлов46.
Чугуны подобно сталям могут иметь ферритную, ферритно-перлитную или перлитную основу, однако из-за гораздо большего содержания углерода последний образует достаточно крупные включения, состоящие из цементита или графита. В зависимости от формы включений различают чугуны с пластинчатым, вермикулярным (червеобразным), шаровидным и хлопьевидным графитом. Производимые в нашей стране чугуны в большинстве случаев содержат 2,4…3,8 % углерода, до 3,8 % кремния (способствует образованию графита), до 1,1 % марганца, до 0,3 % фосфора (повышает жидкотекучесть и твердость отливок), до 0,2 % серы и др. элементы.
Рис. 46. Микроструктура серого (а), высокопрочного (б), высокопрочного с вермикулярным графитом (в) и
ковкого (г) чугуна
Белыйчугун получается при сравнительном быстром охлаждении расплава в металлических изложницах – кокилях. Углерод в белом чугуне присутствует в основном в виде цементита, поэтому такой чугун очень твёрд, хрупок и имеет в изломе белый цвет.
В связи с высокой хрупкостью и низкой обрабатываемостью применяется для изготовления крайне ограниченного числа деталей (прокатные валки, дробильные мельничные шары), а также для последующего превращения в ковкий чугун. Маркировки не имеет.
Серый чугун по ГОСТ 1412-85 (СЧ10, СЧ15, …СЧ35) получается при более медленном охлаждении расплава, например, в песчано-глинистых формах. При этом углерод успевает выделиться в виде графитовых пластинок в виде чешуек, равномерно распределённых в ферритной, ферритно-перлитной или перлитной основе – рис. 46а. Поскольку острые края пластинок графита являются сильными концентраторами напряжений, то относительное удлинение серых чугунов (δ) не превышает 1 %. Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых идёт цифра, указывающая на минимальное допустимое значениеσвв кгс/мм2. Серый чугун обладает прекрасными литейными свойствами47, хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение. Из него изготавливают станины станков, картеры ДВС, корпуса редукторов и т. п.
Высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-85 (ВЧ35, ВЧ40, …ВЧ100) получают путём микролегирования расплава порошкомMg,Ca,Ceи др. элементов. Частицы порошка являются центрами кристаллизации графита, поэтому он приобретает сферическую форму – рис. 46б. При получении чугуна высоких марок (с бóльшей прочностью) производят дополнительное легирование небольшим количествомNi,Cr,CuиMo. Основа высокопрочных чугунов также может быть ферритной, ферритно-перлитной или перлитной. Чугун маркируется буквами ВЧ, после которых идет цифра, указывающая на минимальное допустимое значениеσвв кгс/мм2(по старому ГОСТ 7293-79 после черточки указывали еще и минимально допустимое относительное удлинение δ в % – ВЧ38-17, ВЧ42-12, … ВЧ120-2). Из высокопрочного чугуна изготавливают высоконагруженные ответственные детали (корпуса паровых турбин, коленчатые валы и поршни ДВС и т. п.).
При более экономном микролегировании образуется вермикулярный48графит (рис. 46в) и получается чугун с несколько более низкими механическими свойствами. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом по ГОСТ 28394-89 изготавливается только четырех марок: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45. Такой чугун более технологичен по сравнению с высокопрочным по ГОСТ 7293-85, т. к. обладает лучшей жидкотекучестью и дает меньшую усадку.
Ковкий чугун по ГОСТ 1215-79 (КЧ30-6, КЧ35-10, …КЧ80-1,5) получают длительным отжигом отливок из белого чугуна; при этом цементит разлагается с образованием хлопьевидного графита округлой формы – рис. 46г. Структура и свойства ковкого чугуна аналогичны структуре и свойствам высокопрочного чугуна. Маркируется буквами КЧ, после которых идут две группы цифр, указывающих на минимально допустимые значениеσвв кгс/мм2и δ в % Применение ковкого чугуна аналогично применению высокопрочного чугуна; однако, детали из него можно получать с толщиной стенки до 50 мм, т.к. при большей толщине невозможно получить исходный белый чугун.
Легированный(или специальный) чугун по ГОСТ 7769-82 и ГОСТ 1585-85 маркируется буквой Ч, а дальше идет сочетание букв и цифр, принятое для легированных сталей; буква Ш в конце марки означает, что это чугун с шаровидным графитом. По химическому составу различают: хромистые (ЧХ1, ЧХ9Н5 и др.), кремнистые (ЧС5, ЧС15М4 и др.), алюминиевые (ЧЮ30, ЧЮ7Х2 и др.), марганцевые (ЧГ7Х4, ЧГ8Д3 и др.) и никелевые (ЧНХТ, ЧН15Д7 и др.) чугуны.
В зависимости от назначения различают следующие группы специальных чугунов:
жаростойкиехромистые (ЧХ28), кремнистые (ЧС5) и никелевые (ЧН15Д3Ш);
жаропрочныес шаровидным графитом (ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Ш);
износостойкиехромистые (ЧХ9Н5), алюминиевые (ЧЮ6С5), марганцевые (ЧГ7Х4) и никелевые (ЧН4Х2);
коррозионно-стойкиеникелевые (ЧН15Д7), хромистые (ЧХ22) и кремнистые (ЧС15, ЧС17М3)
немагнитные(аустенитные) никелевые (ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Ш).