1. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; точки пересечения называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.

Физические свойства металлов.

К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение.

Плотность — количество вещества, содержащееся в единице объема.

Плавление — способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Теплопроводность — способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.

Электропроводность — способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение — способность металла увеличивать свой объем при нагревании

Химические свойства металлов.

Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Каждый металл обладает определенной способностью сопротивляться этим воздействиям. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.

Окисляемость — способность металла вступать в реакцию в кислородом под воздействием окислителей.

Коррозионная стойкость — способность металла сопротивляться коррозии.

Механические свойства металлов.

Механические свойства

Твердость — способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Вязкость — способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.

Упругость — способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.

Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.

Характеристика кристаллических решёток

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другие протекает при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного состояния проявляется в частичной или полной кристаллизации. Пример: помутнение неорганических стекол при нагреве.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченной структурой. В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами рентгенографии и электронографии. Большинство кристаллических материалов состоит из мелких кристалликов - зерен. Наблюдают такую микроструктуру с помощью оптических или электронных микроскопов. Макроструктуру изучают невооруженным глазом или при небольших увеличениях, при этом выявляют раковины, поры, форму и размеры крупных кристаллов.

2. В соответствии с типом этой связи различают кристаллы ионные, молекулярные, валентные металлы и кристаллы с водородными связями. Такая классификация носит лишь приближенный характер, поскольку в природе имеются также кристаллы, в которых силы сцепления между атомами обусловлены одновременным участием различных типов химической связи. Однако и для этих кристаллов в большинстве случаев удается оценить доли различных типов химической связи в величине полной энергии связи кристалла.

Ковалентная связь — химическая связь, образованная перекрытием пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака называются общей электронной парой.

Ионная связь — очень прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью.

Металлическая связь — это одновременное существование положительно заряженных атомов и свободного электронного газа.

Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Молекулярный кристалл — кристалл, образованный из молекул. Молекулы связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, внутри же молекул между атомами действует более прочная ковалентная связь.

Полиморфные превращения

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как называют, в разных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой а, при более высокой В, затем у и т. д.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла в случае нагрева.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такое превращение называют перекристаллизацией.

Полиморфные превращения происходят в чистых металлах, в сплавах, в химических соединениях.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств.

Анизотропия твердых тел - зависимость равновесных физических свойств твердого тела от направления.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморфные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности бвs изменяется от 120 до 360 МН/м2 (от 12 до 36 кгс/мм2), а удлинение б от 10 до 55%.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией.

Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

3. Дефект кристаллической решетки - отклонение кристаллической решетки от ее идеального периодического строения.

Дефекты оказывают существенное влияние на физические свойства кристаллов.

Различают точечные дефекты (вакансии); линейные дефекты (дислокации); и

объемные дефекты: трещины, поры, раковины и т.д.

Дислокация - в кристаллах - линейный дефект кристаллической решетки, представляющий собой нарушение правильного чередования атомных плоскостей.

Вакансия - в кристаллах - отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки. Вакансии находятся в термодинамическом равновесии с кристаллической решеткой, они возникают и исчезают в результате теплового движения атомов.

Помимо этого есть ещё специфические дефекты полупроводников.

Акцептор - дефект кристаллической решетки полупроводника, в виде примесного атома, который может захватывать электроны из валентной зоны у доноров, образуя при этом дырки, участвующие в электропроводности.

Донор - дефект кристаллической решетки полупроводника, способный отдавать электроны в зону проводимости.

Доноры в полупроводниковом кристалле могут быть обусловлены примесью или дислокациями.

С физической точки зрения дефекты это нарушения порядка атомов или ионов в структуре. Различают дефекты по Шотки (незанятые узлы решетки) и дефекты по Френкелю (смещение местоположения ионов).

Две вакансии противоположного знака образуют дефект по Шотки.

Пара, состоящая из межузельного иона и оставленной им вакансии, называется дефектом по Френкелю.

4. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью. Ликвация в сплавах.

Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены на рис. 5.1.

Рис.5.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

 

Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.

Проведем анализ полученной диаграммы.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора )

3. Основные линии диаграммы:

• acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

• adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на рис. 5.1,б.

Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву I, кривая охлаждения которого представлена на рис. 5.1, б.

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора ) число степеней свободы будет равно единице . При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора .

Схема микроструктуры сплава представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема микроструктуры сплава – однородного твердого раствора

5

Диаграмма с перитектикой При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов L+ β→ α Реакция подобного типа называется перитектической. Диаграмма с перитектическим превращением показана на рис. На диаграмме показаны три однофазные области: жидкость L и ограниченные твердые растворы α и β. Линия ABCявляется линией ликвидус, линия APDB— линией солидус. Кристаллизация сплава I. Кристаллизация начинается в точке 1 , когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки b. Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свою концентрацию по линии ликвидус от точки 1 до точки С, а кристаллы β — по линии солидус от точкиbдо точки D. По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке С, а состав кристаллов — точке D. Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу а, концентрация которой определяется точкой Ρ — третьей точкой на горизонтали. Перитектическая реакция изображается следующим образом: LC+ βD→ α P или в более общем случае L+ β→ α так как точки Dи Ρпоказывают предельную концентрацию твердых растворов β и α (для простоты линии предельной растворимости даны вертикальными). Количественное соотношение фаз при перитектической реакции, необходимое для образования α-фазы, определяется по правилу отрезков соотношением Количество β = CP  Количество L=PD В рассматриваемом же сплаве количество участвующих в перитектической реакции кристаллов β и жидкости определяется соотношением Количество β = C2 Количество L= 2D т. е. в данном сплаве имеется избыток β-фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования α-кристаллов. Поэтому по окончании реакции в избытке остаются β-кристаллы. Следовательно, в структуре будут продукты перитектической реакции (т. е. α-кристаллы) и оставшиеся избыточные первичные β-кристаллы. Чем ближе точка 2 лежит к точке P, тем меньше в реакции остается избыточных β-кристаллов. Для сплава, отвечающего по концентрации точке Р, соотношение реагирующих при перитектическом превращении жидкости и β-кристаллов таково, что оно как раз достаточно для образования α-кристаллов предельной концентрации. На рис. а показана кривая охлаждения сплава I. Для перитектической кристаллизации (средняя схема) характерно то, что новая α-фаза появляется на границе реагирующей друг с другом жидкости и β-кристаллов. Для сплава I перитектической реакцией заканчивается процесс кристаллизации. Кристаллизация сплава II (рис. б). Отличие кристаллизации этого сплава от кристаллизации сплава I состоит в том, что при перитектической температуре имеется избыток жидкой фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования α-кристаллов концентрации Р. Поэтому перитектическое превращение заканчивается исчерпанием β-твердого раствора, и оставшаяся жидкость в интервале между точками 2'— 3кристаллизуется в α-фазу. При этом концентрация жидкости изменяется по кривой С—а, а концентрация образующихся α-кристаллов — по Ρ — 3 

6

Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в компонентов в твердом состоянии (механические смеси)

 

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

 

Проведем анализ диаграммы состояния.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).

3. Основные линии диаграммы:

 линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

 линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;

4. Типовые сплавы системы.

а) Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре, на рис 5.3 б показана кривая охлаждения компонента А.

б). Эвтектический сплав – сплав, соответствующий концентрации компонентов в точке с (сплав I). Кривая охлаждения этого сплава, аналогична кривым охлаждения чистых металлов (рис. 5.3 б)

Эвтектика – мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре.

При образовании сплавов механических смесей эвтектика состоит из кристаллов компонентов А и В: Эвт. (кр. А + кр. В)

Процесс кристаллизации эвтектического сплава: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов. На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т.е. процесс идет при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии трех фаз (жидкой и кристаллов компонентов А и В) число степеней свободы будет равно нулю . В точке 1^/ процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1^/ охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

в) Другие сплавы системы аналогичны сплаву II, кривую охлаждения сплава см на рис 5.3.б.

Процесс кристаллизации сплава II: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов компонента В) число степеней свободы будет равно единице. При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического. На участке 2–2^’ кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2^’ охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики.

Схема микроструктуры сплава представлена на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

 

5. При проведении количественного структурно-фазового анализа, конода, проведенная через заданную точку, пересекает линию ликвидус и оси компонентов, поэтому состав твердой фазы или 100 % компонента А, или 100 % компонента В.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью. Диаграмма сплавов химические соединения.

 Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.5.5.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов (раствор компонента В в компоненте А) и ( раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

 линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

 линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

 dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

 fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

4. Типовые сплавы системы.

При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью, см кривую охлаждения сплава I на рис. 5.5 б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям, см. кривую охлаждения сплава II на рис. 5.5 б.

Рис. 5.5 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

 

Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов и , эвт. (кр. тв. р-ра + кр. тв. р-ра )

Кристаллы компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов не присутствуют.

 

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения.

 

Диаграмма состояния сплавов представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

 

Диаграмма состояния сложная, состоит из нескольких простых диаграмм. Число компонентов и количество диаграмм зависит от того, сколько химических соединений образуют основные компоненты системы.

Число фаз и вид простых диаграмм определяются характером взаимодействия между компонентами.

Эвт₁ (кр. А + кр. AmBn);

Эвт₂ (кр. B + кр. AmBn).

Билет №7

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их смесей (ледебурита — эвтектическая смесь аустенита и   цементита; перлита — эвтектоидная смесь феррита и цементита).

Аустенит является твердым раствором углерода в γ-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. В α-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью.Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ — 800. Цементит — нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.

Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ÷ 220. Сталь, содержащая 0,80%С, имеет чисто перлитную структуру.

Ледебурит — это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3%С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом,  смесь перлита с цементитом.

Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.

Кроме указанных структурных составляющих, в технических железоуглеродистых сплавах наблюдаются в небольшом количестве и другиефазы — сульфиды, фосфиды, окислы, нитриды и структурные составляющие на их основе (например, фосфидная ввтектика в чугуне).

Билет №8

Стали углеродистые обыкновенного качества.

ГОСТ 380-71 Эти наиболее широко распро­страненные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в ма­шиностроении, строительстве и в других отрас­лях народного хозяйства.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем боль­ше число, тем больше содержание углерода, вы­ше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируе­мых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В (табл. 1).Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная сталь. Между индексом и номе­ром марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. В обозначе­ниях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.

По требованиям к нормируемым показате­лям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подраз­деляют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса сте­пени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным со­держанием марганца, полуспокойная, третьей ка­тегории. В случае заказа стали без указания сте­пени раскисления, но определенной категории, последняя пишется за номером марки через ти­ре, например Ст4-3. Сталь первой категории пи­шется без указания номера последней, например Ст4пс.

Химический состав сталей группы А не рег­ламентируют, а гарантируют    их    механические свойства

Сталь углеродистая обыкновенного качества группы А применяют в состоянии поставки в изделиях, которые изготавливаются без горячей обработки, тогда сохраняются их механические свойства и структура нормализации, которые гарантируются стандартом. Сталь марки ст 3сп применяют в состоянии поставки без обработки давлением и сваркой. Наиболее часто сталь ст3сп применяется при изготовлении металлоконструкций. Стали группы Б используются в изделиях, производство которых подразумевает горячую обработку (ковку, сварку и иногда - термическую обработку), которая сопровождается нарушением исходной структуры и механических свойств; в данном случае для выбора режима горячей обработки большое значение имеют данные о химическом составе материала). Стали группы В используют при производстве ответственных деталей, их стоимость выше сталей групп А и Б.  Углеродистые стали обыкновенного качества всех групп используются при производстве металлоконструкций и других изделий, работоспособность которых гарантируется жесткостью. Частая сфера их применения - производство железобетонных конструкций. Стали групп Б и В, имеющие номера от 1 до 4, имеют способность к свариванию и к холодной обработке давлением, что позволяет использовать их при изготовлении сварных ферм, различных рам, строительных металлоконструкций и некоторых крепежных изделий. Среднеуглеродистые стали с номерами 5 и 6 отличаются большой прочностью, поэтому из них производят рельсы, железнодорожные колеса и детали грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.  Углеродистые качественные стали достаточно дешевы и используются, как правило, в производстве деталей неответственного назначения. Они выпускаются в виде проката и других изделий, характеризующимся определенными механическими и химическими свойствами.

Билет №9

Инструментальная сталь по сравнению с конструкционными углеродистыми сталями обладает значительно большей твердостью (особенно после закалки), но является более хрупкой. По химическому составу инструментальные стали подразделяются на инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435- 54), легированные инструментальные (ГОСТ 5952-51) и быстрорежущие (ГОСТ 5952-51).

Инструментальные углеродистые стали по содержанию углерода и твердости подразделяются на низкоуглеродистые, содержащие углерод до 0,25%; среднеуглеродистые - от 0,25% до 0,6% и высокоуглеродистые - от 0,6 до 2%.

Углеродистые инструментальные стали в соответствии с ГОСТ 1435-54 обозначаются следующими марками: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13. Буква У указывает, что сталь углеродистая, а следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г в марке показывает повышенное содержание марганца.

Углеродистые инструментальные стали бывают качественные и высококачественные.

Высококачественные углеродистые инструментальные стали, выплавляемые в электропечах, маркируются таким же образом, но с добавлением в конце буквы А, т. е. У7А, У8А и т. д. Буква А обозначает, что сталь является высококачественной (улучшенной), по составу более чистой, с пониженным содержанием серы (до 0,03%), фосфора (также до 0,03%), остаточных примесей и неметаллических включений. Содержание марганца в этих сталях колеблется в пределах от 0,15 до 0,40%; кремния от 0,15 до 0,35%.

Достоинством инструментальных углеродистых сталей является их хорошая обрабатываемость, невысокая твердость (160-180 НВ). Однако они имеют и крупные недостатки: небольшой интервал закалочных температур, необходимость быстрого охлаждения в воде при закалке, что приводит к короблению, деформации инструментов и даже образованию трещин.

Инструментальная углеродистая сталь применяется для изготовления различных инструментов (режущих, мерительных и др.), которые должны обладать высокой износоустойчивостью и красностойкостью.

Марка стали	Содержание углерода (%), ГОСТ 1435-54	Твердость HB	Назначение (примерно)
У7	0,65-0,74	156-187	Зубила, гладильный кузнечный инструмент, штампы, клейма, кувалды, кузнечные и слесарные молотки, плотничный инструмент
У8 У8Г	0,75-0,84  0,80-0,90	156-187  187-190	Ножи и вилы по металлу, пробойники, пуансоны, клейма, штампы, инструмент для обтески камня
У9	0,85-0,94	159-192	Дыропробойные штемпеля, кернеры, деревообрабатывающий инструмент
У10 У11	0,95-1,04 1,05-1,14	163-197  170-207	Резцы, сверла, метчики, развертки, плашки, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников
У12	1,15-1,24	170-207	Резцы по металлу, фрезы, шаберы, развертки
У13	1,25-1,35	170-217	Резцы по твердому металлу, бритвы, шаберы, сверла

Билет №10

Углеродистые конструкционные стали по качеству (в зависимости от содержания вредных примесей) подразделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (содержащие повышенное количество вредных примесей и др. ) применяются для металлических конструкций и неответственных деталей машин, поставляются по ГОСТ 380-71. В зависимости от способа раскисления могут быть спокойными (сп), полуспокоиными (пс) и кипящими (кп). Допускается в спокойных сталях буквы (сп) не писать. Цифра (0-6) обозначает номер стали и не соответствует содержанию углерода, но с увеличением номера содержание углерода и прочностные характеристики растут. Примеры маркировки: СтЗ - спокойная углеродистая сталь обыкновенного качества (0,14-0,22% С) СтЗкп - кипящая углеродистая сталь обыкновенного качества. Качественные углеродистые конструкционные стали применяются для металлических конструкций и более ответственных деталей машин, поставляются по ГОСТ 1050-74. Цифры (05-65) обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали с содержанием углерода до 0,25% могут поставляться спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп). Стали с содержанием углерода больше 0,25% поставляются только спокойными. Буква "Г" обозначает, что сталь имеет повышенное содержание марганца (до 1,2%). Буква Л в конце марки обозначает, что сталь в литом состоянии. Примеры маркировки: Сталь 15кп - углеродистая конструкционная качественная сталь с содержанием 0,15% углерода, кипящая;  Сталь З0Л - углеродистая конструкционная качественная сталь с содержанием углерода 0,30%,спокойная, применяется для деталей получаемых методом литья;  Сталь З0Г - углеродистая конструкционная качественная сталь с содержанием углерода 0,30%, спокойная, содержащая повышенное количество марганца. 

11 Вопрос Разновидности чугунов.

Бывают следующие виды чугунов (это зависит от формы выделяемого углерода:

• Белый чугун. В нем углерод находится в связанном состоянии в форме цементита. Чугун в изломе белого цвета и имеет характерный блеск.

• Половинчатый чугун. В нем большая часть углерода (более чем 0,8%) находится в форме цементита. Чугун обладает структурой перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

• Серый чугун. В нем большая часть углерода находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Нахождение углерода в связанном состоянии в форме цементита составляет менее чем 0,8 %.

• Чугун с отбеленной поверхностью. В нем большая часть металла обладает структурой серого чугуна, а поверхностный слой структурой белого. Отбеленный слой, как правило, получают в толстостенных больших деталях при их отливке в металлические формы. С удалением от поверхности из-за снижения скорости охлаждения, структура белом чугуна плавно переходит в структуру серого. Чугун верхнего слоя в микроструктуре имеет много твердого и хрупкого цементита, который прекрасно сопротивляется износу. Благодаря этому чугуны с отбеленной поверхностью используются для деталей, от которых требуется высокая износостойкость. А это вагонные колеса с отбеленным ободом, это валки прокатных станов, мукомольные валы. Отбел достигается путем местного увеличения скорости охлаждения. Например, он достигается установкой в литейную форму холодильников - как правило, металлических вставок.

• Высокопрочные чугуны. В них графит обладает шаровидной формой.

• Ковкие чугуны - углерод находится в форме хлопьевидного графита, получаются из белых чугунов за счет отжига.

МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

.

.

Белые чугуны

Микроскопический анализ белых чугунов проводят, используя диаграмму состояния Fe – Fe₃С (рис. l). Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.

Обычной структурной составляющей белых чугунов является ледебурит. Ледебуритом называют смесь аустенита и цементита, образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.

эвтектика (ледебурит)

Чугун, содержащий 4,3 %С (точка С), называется белым эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а правее - заэвтектические белые чугуны.

В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика – ледебурит.

При охлаждении чугуна в интервале температур от 1147 °С до 727 °С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф + Ц)

Рис. 1. Структурная диаграмма состояния системы железо-цементит

(в упрощенном виде)

Таким образом, при комнатной температуре в доэвтектических белых чугунах находятся три структурные составляющие – перлит, ледебурит и вторичный цементит (рис. 2).

Эвтектический белый чугун при комнатной температуре состоит из одной структурной составляющей – ледебурита. Последний, в свою очередь, состоит из перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным.

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит.

Рис. 2. Микроструктура белых чугунов (слева схематическое изображение): а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический

При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.

Графитизированные чугуны.

В зависимости от формы графитных включений различают серые, высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным графитом.

Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1 – 3 %Si – обладающего сильным графитизирующим действием.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Он хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т.д.

Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рис. За). Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой

эвтектоид (перлит)

то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.

Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.

В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают модифицированием серого чугуна щелочно-земельными элементами. Чаще для этого используют магний, вводя его в жидкий расплав в количестве 0,02 – 0,03 %. Под действием магния графит кристаллизуется в шаровидной форме (рис.3б). Шаровидные включения графита в металлической матрице не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинки графита в сером чугуне. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.

Маркируют высокопрочный чугун буквами ВЧ и далее следуют величины предела прочности при растяжении (в кгс/мм²) ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 80 (ГОСТ 7293-85). Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и бывают на ферритной, феррито-перлитной, перлитной основах. Высокопрочный чугун используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. Высокие механические свойства дают возможность широко применять его для производства отливок ответственного назначения, в том числе и в судовом машиностроении: головок цилиндров, турбокомпрессоров, напорных труб, коленчатых и распределительных валов и т.п.

Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна. Получение ковкого чугуна основано на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при повышенных температурах образуется графит отжига белого чугуна. Мелкие изделия сложной конфигурации, отлитые из белого чугуна, отжигают (получают ковкий чугун) для придания достаточной пластичности, необходимой при их использовании в работе. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и далее следуют величины предела прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительного удлинения (в %), например, КЧ 35-10, КЧ 60-3 (ГОСТ 1215-79).

Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.

Чугуны с вермикулярным графитом получают как и высокопрочные чугуны модифицированием, только в расплав при этом вводится меньшее количество сфероидизирующих металлов. Маркируют чугуны с вермикулярным графитом буквами ЧВГ и далее следует цифра, обозначающая величину предела прочности при растяжении ( кгс/мм²), например, ЧВГ З0, ЧВГ 45 (ГОСТ 28394-89). Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. Зг). Микроструктура металлической основы ЧВГ также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и феррито-перлитной.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярньм графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется взамен СЧ для производства головок цилиндров крупных морских дизельных ДВС.