Раздел 2. Конструкционные материалы

Сталь – основной металлический сплав промышленности. Для удовлетворения запросов многих отраслей техники сталь выплавляют из чугуна передельного в кислородно-конверторных и мартеновских печах. Известно более 2000 марок сталей, отличающихся содержанием основных компонентов и постоянных примесей. От содержания углерода в сталях зависит уровень достигаемой твердости, пластичности, прочности. На свойства сплава влияют примеси Si и Mn, вредными примесями являются Р, S (хладноломкость, красноломкость), кислород, азот, водород снижают пластичность и способствуют ускорению хрупкого разрушения.

Изучая маркировку сталей необходимо знать, что процесс выплавки сталей заканчивается раскислением, т.е. удалением из жидкого металла избытка кислорода. Получают стали сп — спокойные, пс — полуспокойные, кп — кипящие.

Конструкционные стали с некоторой условностью подразделяют на стали нормальной (средней) прочности (_в  менее 1000 МПа), повышенной прочности (_в  до 1500 МПа) и высокопрочные (_в  более 1500 МПа). В институте металлургии им. А.А.Байкова РАН получили суперпрочную сталь, предел прочности которой 3000 МПа, пластичность её составляет 14%.

Химический состав и механические свойства сталей устанавливают по ГОСТам, например: для углеродистых сталей обыкновенного качества – по ГОСТ 380, для углеродистых качественных сталей – по ГОСТ 1050, для углеродистых инструментальных сталей – по ГОСТ 1435, для легированных сталей – по ГОСТ 19281, 14959, 4543, 5950, 19265 и др. При ответах на вопросы, касающиеся марок сплавов, необходимо на основании ГОСТов указать принципы их классификации и привести необходимые примеры.

Все разновидности чугунов (серые, ковкие, высокопрочные) являются литейными сплавами, т.е. изделия (детали) из них получают формообразованием поверхностей кристаллизацией расплавленного металла в полостях форм, создаваемых под тот или иной способ литья.

В марках чугунов указывают _в и . По структуре чугуны отличаются размером, формой, количеством графитовых включений, а также фазовым составом металлической основы. По фазовому составу чугуны могут быть ферритными, ферритно-перлитными и перлитными, образование той или иной структуры металлической основы зависит от содержания Si, C, модифицирующих добавок, толщины отливки, которая определяет скорость охлаждения жидкого металла.

Серые чугуны по ГОСТ 1412 маркируются СЧ25, где СЧ – серый чугун, 25 – предел прочности _в при растяжении 25 кгс/мм² (250 МПа). Известно, что для чугунов 4_в.раст=2_в.изг=_в.сж, т.е. чугун лучше работает на сжатие. В марке ковких чугунов (ГОСТ 1215) добавляется показатель относительного удлинения КЧ45-7, где КЧ – ковкий; 45 – предел прочности при растяжении _в=45 кгс/мм² (450 МПа), 7 – относительное удлинение , %. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) – ВЧ 80, где 80 -_в=80 кгс/мм² (800 МПа).

Необходимо уяснить связь между характером нагружения (статическое, динамическое), характером напряженного состояния (видом напряжений – касательные и нормальные) и характером разрушения (вязкое, хрупкое). Важно усвоить, что поведение одного и того же сплава в образце при простом нагружении, например, при растяжении или изгибе, и в детали при сложном нагружении, например, при одновременном действии изгиба и кручения, различно.

Важно представлять влияние скорости нагружения, температуры и напряжения на характер разрушения; усвоить, что способность пластически деформироваться приводит к увеличению числа дислокаций, изменению тонкой структуры и соответственно к изменению свойств сплавов (_в, _0,2 – повышаются, а  - снижается).

Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, предел текучести растет быстрее временного сопротивления разрыву. Предельное состояние наклепанного металла характеризуется _в=_, =0. Дальнейшее деформирование металла приводит заготовки к разрушению. Наклепанные сплавы состоят из разноостных кристаллитов, свойства их зависят от направления приложения нагрузки (анизотропия). Неоднородность свойств материала сплава нежелательна для детали сборочной единицы. Сделать структуру однородной, состоящей из равноостных кристаллитов, можно, применив рекристаллизационный отжиг.

При рассмотрении рекристаллизационных процессов следует четко разграничить три стадии (возврат, первичную и собирательную рекристаллизацию), связав изменения микроструктуры с изменением свойств по стадиям. Необходимо отметить практическое значение температуры «порога» рекристаллизации в технологии обработки металлов давлением. Важно оценить конструкционную прочность деталей машин в связи с наличием концентратов напряжений: надрезов, рисок, выточек и с характером нагружения.

Термическая обработка – один из главных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. Вопросы термической обработки стали и чугуна можно понять, лишь зная структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Необходимо помнить, какие превращения претерпевают феррит, перлит и ледебурит при нагреве, и какое влияние оказывает скорость охлаждения на превращения аустенита (диаграмма Fe-Fe₃C). Вопросы превращения аустенита при охлаждении лучше разобрать, используя диаграмму изотермического распада аустенита, и на ее основе уяснить, при каких режимах охлаждения образуются перлит, сорбит, троостит и мартенсит, что называется критической скоростью закалки, в чем различие между мартенситом и другими структурами. Следует иметь в виду, что чем ниже содержание углерода в стали, тем больше критическая скорость закалки, вследствие чего низкоуглеродистые стали (менее 0,3 % С) в реально достигаемых условиях охлаждения не воспринимают закалку на мартенсит.

Нужно усвоить, что образование мартенсита при охлаждении со скоростью VV_крит сопровождается перестройкой гранецентрированной кристаллической решетки в объемноцентрированную. Последняя деформируется из-за пересыщения углеродом и приобретает тетрагональность.

Процесс образования мартенсита бездиффузионный, происходит в интервале температур начала (от + 280 до + 100^оС) и конца (от + 200 до -110^оС) мартенситного превращения тем полнее, чем ниже значения температур в этом интервале. Интервал мартенситного превращения при увеличении содержания углерода смещается в область более низких температур. Часть аустенита в высокоуглеродистых сталях, находясь между образовавшимися пластинами мартенсита в состоянии всестороннего сжатия, не превращается в мартенсит. Этот остаточный аустенит снижает твердость сталей. Снизить количество остаточного аустенита можно охлаждением до отрицательных температур. Такая обработка называется обработкой холодом. Иногда ее проводят дополнительно, сразу после закалки (быстрорежущая сталь Р18).

Закалкой деталей даже в самых сильных охладителях невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины. Закаливаемость и прокаливаемость – важнейшие характеристики стали, упрочняемой термической обработкой. Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали. Прокаливаемость – способность стали закаливаться (образовывать мартенситные слои) на определенную глубину.

Закаленные на мартенсит или М+К+А_ост стали подвергают нагреву для снятия напряжений и превращения мартенсита в троостит или сорбит для доэвтектоидных сталей. Структурные превращения обуславливаются различными параметрами нагрева (низкий, средний, высокий) при отпуске, уменьшают степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита и создают условия для перехода аустенита остаточного в мартенсит и для распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Под улучшением стали понимают закалку доэвтектоидных сталей на мартенсит с последующим высоким отпуском, обеспечивающим формирование структуры сорбит. Стали, подвергаемые термической обработке на структуру сорбит, называют улучшаемыми (БСт5, ВСт5, 35, 40, 45, 50, 55, 40Х, 50Х, 38ХНЗМА и др.).

Термическую обработку чугуных отливок (деталей) проводят для снятия внутренних напряжений, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием. Различают отжиг для снятия внутренних напряжений, смягчающий отжиг, графитизирующий и нормализацию. Для повышения твердости отливок используют закалку, в том числе изотермическую и поверхностную. Рассматривая термическую обработку чугуна белого, необходимо уяснить, что разложение цементита сопровождается выделением углерода в свободном состоянии (графитизирующий отжиг), формирующаяся структура отличается по свойствам от начальных: НВ, _в снижаются, а непластичный сплав превращается в сплав с величиной >2%.

Изменения структуры и свойств детали сложно инициировать по всему объему, особенно в крупногабаритных деталях. Прокаливаемость оценивают критическим диаметром заготовки, в которой закаливанием формируют мартенсит закалки в структуре (НВmax). Однако для некоторых деталей, работающих в условиях трения поверхностных слоев, достаточно эффективными способами являются способы, обеспечивающие повышение твердости и износостойкости наружных слоев на глубину 1-3 мм, вязкость и пластичность внутренних слоев сохраняются.

Поверхностная прочность деталей может быть повышена непосредственно термической обработкой, химико-термической обработкой и методами пластической деформации поверхности. Важно уяснить, какие стали относятся к улучшаемым, а какие – к цементуемым, а следовательно, какому способу упрочнения можно подвергнуть деталь, изготовленную из той или иной марки стали.

При изучении различных способов поверхностного упрочнения особое внимание нужно уделять высокочастотной закалке деталей. Изучение различных видов химико-термической обработки надлежит начать с цементации в твердой, газовой и жидкой средах (карбюризаторах). После этого легче понять и другие процессы, так как принцип всех видов химико-термической обработки один и тот же: получение насыщающего вещества (С, N и др.) в атомарной форме, захват атомов вещества поверхностью сплава детали и диффузия их внутрь. Необходимо уяснить назначение отдельных процессов, а также свойства, приобретаемые поверхностью изделий: износоустойчивость, усталостная прочность, коррозионная выносливость, применяемых на железнодорожном транспорте.

Рассматривая влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей, необходимо изучить особенности вновь появляющихся фаз: легированного феррита, легированного аустенита и специальных карбидов. Нужно иметь в виду, что принципы термической обработки для легированных сталей остаются неизменными. Однако изменяются температуры нагрева, критические скорости закалки, глубина прокаливаемости для различных видов термической обработки. Надо помнить, что разные легирующие элементы и разная степень легирования придают сталям различную структуру и свойства после термической обработки.

Необходимо ознакомиться с литыми и порошковыми твердыми сплавами, применяемыми как для наплавки изнашивающихся поверхностей деталей машин, так и для пластинок режущего инструмента. Особое внимание нужно обратить на красностойкость и твердость этих сплавов.

Следует изучить технологию производства порошковых материалов, которая позволяет получать разнообразные изделия с весьма ценными свойствами при минимальных затратах. Необходимо знать основные виды изделий порошковой металлургии, их свойства и область использования.

Следует уяснить, почему чистые цветные металлы применяются ограниченно, а сплавы на основе меди, алюминия и титана – более широко. Важно ознакомиться с диаграммами состояний сплавов: медь – цинк (латуни), медь – олово (оловянистая бронза), алюминий – кремний (силумины), алюминий – цинк и алюминий – медь (дюралюмины), с тем чтобы выяснить взаимозависимость структуры и свойств тех или иных промышленных сплавов. Необходимо понять, почему изделия из этих сплавов получают как методами пластической деформации при обработке давлением, так и литьем. Следует изучить маркировку сплавов меди и алюминия, знать области их применения на железнодорожном транспорте и уметь привести конкретные примеры.

По ГОСТ 859 медь маркируется: МОО, МО, М1, М2, М3 в зависимости от содержания примесей; латуни (ГОСТ 17711) – ЛЦ40С, где Л- латунь, Ц – цинк (40%), С – свинец (1%). Бронзы маркируются иначе (ГОСТ 5017): БрОФ4-0,25, где Бр – бронза; О- олово, Ф – фосфор, цифры – их процентное содержание.

Если чистый алюминий маркируется АО, А5 (процент примесей) в литом состоянии или АДО, АД1 – после деформации, то сплавы алюминия маркируются так: деформируемые (ГОСТ 4784) – АМц (с марганцем), АМг2 (марганец – 1% и магний – 2%), Д16 (марганец, магний, медь), В95 (то же и хром, цинк), АК6 (то же и кремний); литейные (ГОСТ 2685) – АЛ2 – силумины (с кремнием), АЛ19 (с медью, титаном) и др. Особое внимание нужно обратить на теорию старения деформируемых алюминиевых сплавов, изучив превращения в структуре и изменения свойств при термической обработке – закалке и последующем искусственном старении, разобраться в физической сущности упрочнения при старении (когерентность кристаллических решеток твердого раствора и образующегося химического соединения).

Необходимо ознакомиться со структурой и свойствами подшипниковых сплавов – баббитов, обратив внимание на применяющийся в подвижном составе кальциевый баббит.

Следует обратить внимание на особые преимущества титана и его сплавов – высокую удельную прочность и исключительную коррозионную стойкость.

Среди неметаллических материалов очень важны синтетические полимерные материалы. При изучении их структуры необходимо обратить внимание на форму элементарных звеньев и расположение химических связей и звеньев макромолекул полимеров. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, эластичном и текучем, причем состояние полимера обусловлено его структурой и температурой. Свойства полимеров зависят от их химического состава (карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические), а также от количественного соотношения атомов в молекуле и их сочетания. Например, замена водорода углеводородным радикалом приводит к увеличению эластичности и морозостойкости, снижению прочности, твердости и теплостойкости.

Важно четко представлять, что полимер – химическое вещество специфического строения, а полимерный материал – технический продукт, изготовленный из полимера или на его основе. Ни одна отрасль техники не обходится без применения синтетических полимерных материалов. Следует усвоить принципы классификации синтетических смол и пластмасс в зависимости от реакции получения полимера, назначения и его структуры, а также от физико-механических свойств (модуля упругости).

Важно уметь оценивать эксплуатационные свойства пластмасс, так как в ряде случаев они с успехом заменяют другие, в том числе металлические материалы, а часто являются и незаменимыми. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), например, превышает по удельной прочности сталь, титан и дюралюминий; политетрафторэтилен (фторопласт, или тефлон) обладает высокими диэлектрическими свойствами, а ретинакс – высокими фрикционными свойствами и т. д.

Необходимо выявить роль защитных покрытий (металлических и неметаллических) изделий, изучить классификацию покрытий, технические требования к ним и определить технико-экономическую эффективность их применения как средства борьбы с коррозией металлов.

В современной технике используются четыре вида конструкционных материалов: металл, керамика, композиты и пластмассы, отличающиеся соотношением прочности и пластичности. Керамика обладает высокой прочностью, но низкой вязкостью. Из неё нельзя делать детали, работающие на растяжение. Материалы на основе полимеров отличает низкая конструкционная жесткость, узкий температурный интервал сохранения прочности, отсутствие методов регенерации (утилизации) для пластмасс на основе термореактивных полимеров.

Композиционные материалы можно создавать практически с любыми заданными свойствами. Эти материалы состоят из двух и более компонентов (волокон, частиц и др. и матрицы), объединенных различными способами в монолит. Свойства композита отличаются от свойств компонентов, образующих его. Материал однороден на макроуровне и неоднороден на микроуровне, характеризуется высокой удельной прочностью. Тип матрицы определяет классы композитов: полимерные, металлические, керамические. Стеклопластик СВАМ на полимерном связующем имеет _в200…600 МПа, температура эксплуатации для него 200…400^оС, по удельной прочности превосходит сталь с _в=600 МПа в 3,5 раза.