vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ФГБОУ

Кубанский государственный технологический университет

Кафедра материаловедения и автосервиса

ЖУРНАЛ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

для студентов специальности

__________________________________

форма обучения ____________________

группа _____________________________

Фамилия, И. О. студента_________________________

________________________________________________

Учебный план выполнен ________________________

Фамилия, И. О. преподавателя_____________________

Дата "_____" _______________ 2016 г.

Краснодар - 2016 г.

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

П Р О Т О К О Л

ЗАКАЛКИ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ

11 . Микроструктура закаленной стали :

12 . В ы в о д ы:

Работу выполнил __________________ Работу принял ___________________

«_____» ________________ 200__г.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

5 . Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения и их твердость

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

6 . Режимы отпуска и протокол испытания на твердость

7 . Влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали (столбчатая диаграмма)

8 . В ы в о д ы :

Работу выполнил __________________ Работу принял ___________________

«_____» ________________ 200__г.

11

9 . Режим закалки :

-температура закалки

-продолжительность нагрева

-охладитель –

10 . График закалки Т,оС

время

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1400

1200

1000

800

600

Работу выполнил _______________________ Работу принял _______________________ Дата «____»_______________ _____г.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В.Н.Киприянова

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Краснодар

2015

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………………… 3

Лекция 1 Строение и свойства чистых металлов………………….7

Лекция 2 Формирование структуры литых металлов…………….18

Лекция 3 Строение и свойства сплавов. Диаграммы состояния бинарных сплавов……………………………………………………27

Лекция 4 Механические свойства и способы определения их количественных характеристик……………………………………..39 Лекция 5 Диаграмма состояния железо-углерод………………….. 42 Лекция 6 Углеродистые стали……………………………………….48

Лекция 7 Чугуны………………………………………………….......60

Лекция 8 Термическая обработка-теория термической обработки …………………………………………………………….71

Лекция 9 Технология термической обработки………………….…80

Лекция 10 Химико-термическая обработка………………………..98 Лекция 11 Легированные стали…………………………………….106

Лекция 12 Инструментальные материалы………………………....117 Лекция 13 Легированные стали с особыми свойствами…………..125

Лекция 14 Медь и ее сплавы……………………………………...…135

Лекция 15 Материалы с малой плотностью (легкие материалы)…143 Лекция 16 Неметаллические материалы……………………………158

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства

материалов и устанавливающая связь между составом, строением и свойствами

Цель изучения данной дисциплины- познание природы и свойств материалов, используемых в различных областях техники.

Знания, полученные при изучении данной дисциплины необходимы вам для успешного изучения других дисциплин, выполнения курсовых и дипломных проектов, а также в практической деятельности инженера.

Имея дело с машинами, аппаратами. станками, нельзя не знать материалов, из которых они изготовлены.

Эффективность любых конструкцийавтомашин, самолетов, оборудования пищевой промышленности, машиностроения и т.п. в значительной степени определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены.

Революционную роль сыграли полученные новые материалы – проводниковые материалы, жидкие кристаллы в электронике, композиционные материалы в авиации и ракетостроении, аморфные сплавы в радиотехнике и электронике.

Курс Материаловедения состоит из 3-х неравных частей. Теория металлов и сплавов Технические сплавы

Неметаллические материалы

Изучив дисциплину Материаловедение, студент должен знать строение и свойства чистых металлов, теоретические вопросы процессов кристаллизации металлов и сплавов, виды взаимодействия компонентов в сплаве, виды диаграмм состояния.

Главная часть курса - Технические сплавымы начнем с изучения железоуглеродистых сплавовсталей и чугунов. Изучим диаграмму состояния железо-углерод, значение которой для материаловедения также велико как периодическая таблица Менделеева для химиков.

В процессе изучения материала мы будем многократно говорить о структуре металлов и ее влиянии на свойства сплавов.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Также мы изучим различные виды термической и химико-термической обработок, легированные стали, сплавы меди, алюминия, титана, магния.

Завершающий раздел курсанеметаллические материалы-пластмассы и резины.

Появление новых материалов вызывало целую революцию в ряде отраслей.

Так более 100 лет тому назад различные резцы для обработки материалов на металлорежущих станках изготавливались из обыкновенной углеродистой стали термически обработанной, но стойкость их была невелика и скорость резания не превышала 5м/мин.

Но вот появились быстрорежущие стали с добавками 8-18 % вольфрама и скорости увеличились до 35 м/мин. Это привело к необходимости замены металлорежущих станков на более быстроходные.

В 1933 году был получен новый инструментальный материал т.н. победиттвердый сплав, скорости резания опять возросли и необходима была полная замена металлорежущих станков.

Большой вклад в развитие науки о металлах –материаловедения- внесли русские ученые П.П. Аносов (1799-1815 гг), он впервые установил связь между строением стали и ее свойствами, впервые применил микроскоп для изучения структуры стали.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Д.К.Чернов (1839-1921гг)- отец металоведения, так называют его в ученом миреоткрыл полиморфизм стали, он признан во всем мире – основоположником материаловедения.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железо-углеродистых сплавов внесли Ле-Шателье (Франция), Аустен (Англия), Осмонд (Франция) и др.

О той огромной роли, которую играют металлы в нашей жизни, писал еще Георг Агриколла , немецкий мыслитель 16 века- в его трудах о металлургии есть такие строчки-« Человек не может обойтись без металлов… если бы не было металлов люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей»

Не случайно этапы в жизни человечества история назвала по преобладающим в то время металлическим материалам: эпоха меди, бронзовый век, железный век.

Богат и разнообразен мир металлов, удивительны и разнообразны их свойства. Ртуть не замерзает даже на морозе, вольфрам не боится самых жарких объятий пламени, серебро и медь отлично проводят электрический ток, а у висмута или олова это дело явно не клеится. Самый легкий металл-литий, а осмийсамый тяжелый, камнем пойдет ко дну, его плотность в 20 с лишним раз выше, чем у воды. Алюминием богата наша планета, а франций настолько редок, что его содержание в земной коре измеряется буквально граммами.

Трудно даже представить, что произошло, если бы исчезло железо, алюминий, медь.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Первыми свойствами, с которыми познакомились наши предки, были твердость и прочность, пластичность и металлический блеск.

Важнейшее свойство- прочность- способность сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Благодаря этому свойству успешно выдерживают огромные нагрузки и мосты и ж/д составы и самолеты.

Многие узлы современных машин и агрегатов работают в условиях высоких температур и должны обладать такими свойствами как Жаростойкость. При создании жаростойких материалов большая роль принадлежит никелю. Когда одного из металловедов. Занимающихся разработкой большого количества жаростойких сплавов, спросили как это ему удается, он ответил, я просто заменяю в сталях железо на никель.

Важную роль играет ПЛАСТИЧНОСТЬ- способность необратимо изменять свою форму под действием механических нагрузок. На пластической деформации основана обработка металлов давлением. Прокатка, ковка, штамповка, прессованиевсе эти технологические процессы возможны потому, что медь, алюминий сталь, свинец и др обладают пластичностью.

Важная характеристика металлов –ТВЕРДОСТЬ- способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Чем тверже металл, тем он прочнее. Эталоном твердости служит алмаз.

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.Материаловедение и технология металлов: учеб. для вузов по машиностроит. спец./ [Фетисов Г.П. и др.]; по ред. Г.П. Фетисова. – Изд.

6-е, доп. – М.: Высш. шк., 2008. – 877 с.

2.Материаловедение и технология конструкционных материалов:

Учебник/ В.Б.Арзамасов, А.Н.Волчков. – М.:, Академия, 2009.- 448 с.

3.Сильман Г.И. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по спец. напр. «Металлургия, машиностроение и материалоперераб.» /. – М.:

Академия, 2008 .- 335 с.

4.Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1990.- 541 с.

5.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

Лекция 1

«Строение и свойства чистых металлов»

Почти 3/4 всех существующих в природе элементов являются металлами. Разумеется, не все они находят широкое применение в технике. Некоторые из них встречаются очень редко, они чрезвычайно дороги. Это и редкие -

бериллий, ванадий, уран, драгоценные – серебро, золото, платина и др.

Многие металлы малопригодны к применению, т.к. обладают большой хрупкостью и твердостью (хром, марганец, сурьма), их используют в качестве добавок к другим металлам.

Металлы, из которых изготавливают детали машин, приборов, называют

конструкционными или машиностроительными.

Все металлы делятся на 2 большие группы:

черные

цветные

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Черные имеют темно-серый цвет, большую

плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным представителем является железо.

Цветные имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они пластичны, обладают малой твердостью, имеют низкую температуру плавления. Типичным представителем является медь.

Черные металлы согласно классификации, предложенной А.П.Гуляевым подразделяются:

Железные металлы – железо, кобальт, никель (ферромагнетики) и близкий к ним марганец Тугоплавкие, с температурой плавления больше, чем у железа (1539о)

Урановые ( актиниды)

Редкоземельные металлы (РЗМ), лантан, церий и др.

Щелочноземельные

Цветные металлы подразделяются:

Легкие металлы – берилий, магний, алюминий, с плотностью меньше 5 г/смз Благородные – серебро, золото, платина и и др. к ним может быть отнесена и

полу благородная медь, обладающие устойчивостью перед коррозией. Легкоплавкие – цинк, кадмий, ртуть, олово , с температурой плавления меньше 1000о.

Что такое металл?

На этот вопрос М.В. Ломоносов отвечал так: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно».

Это простейшее определение не потеряло своего значения и сегодня. Металлы можно охарактеризовать такими свойствами:

• высокая теплопроводность;

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

•электропроводность, которая с понижением температуры повышается, причем некоторые металлы имеют сверхпроводимость;

•пластичность (см. «ковать можно»);

•металлический блеск (см. «суть светлые тела»);

•магнитные свойства;

•постоянная температура кристаллизации.

Все металлы – тела кристаллические

В природе существует два типа построения твердых тел их атомов – тела могут быть кристаллические и аморфные.

Они отличаются по своим свойствам.

Аморфные тела – это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно, хаотически. В отличие от жидкостей они имеют пониженную подвижность частиц.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, смолы, воск.

Кристаллические тела – это такие тела, в которых атомы расположены в строго определенном порядке, в строго определенной последовательности. Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой он переходит в жидкое состояние.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Все металлы – тела кристаллические

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и

характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения элементарных частиц,

химического состава, размера и формы кристаллов.

Все эти детали строения кристаллов описывает понятие – СТРУКТУРА В зависимости от размеров, структурных составляющих и методов их выявления различают:

тонкую структуру – описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами – рентгенографией и т.д.

микроструктуру –состоящую из мелких кристалликов, зерен, ее наблюдают с помощь. оптических или электронных микроскопов.

макроструктуру – изучаемую невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Выявляет изломы, раковины, поры.

Под атомно-кристаллической структурой металлов понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле.

Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием

пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы.

10

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Кристаллическую решетку можно построить, выбрав для этого «строительный блок», многократно повторяя его в трех измерениях. Такая строительная единица в металловедении называется элементарной ячейкой.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ МЕТАЛЛОВ

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. Модели элементарных ячеек:

а, г – ГПУ (гексагональная плотноупакованная); б, д – ГЦК (гранецентрированная кубическая); в, е – ОЦК (объемноцентрированная кубическая)

Решетку ОЦК имеют вольфрам, хром, молибден

Решетку Г.Ц.К. имеют серебро, золото, никель, медь, ванадий,натрий, платина.

Гексагональную решетку имеют магний, цинк, кадмий, бериллий титан

12

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Размеры элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а,в, с. Их называют периодами решетки.

Период решетки измеряется в нанометрах (нм) 1 нм = 10-9 см = 0,1 А

Период решетки металлов находится в пределах от 0,1 до 0,7 нм

Плотность кристаллической решеткиобъема, занятого атомами,

характеризуется координационным числом – К.

К – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

Чем выше К, тем больше плотность упаковки.

Для ОЦК К=8 для гцк к=12 для ГПУ К=12

Полиморфизм (аллотропия) – способность металла принимать различные кристаллические формы при разных температурах

Ряд металлов (железо, марганец, титан и др.) в зависимости от температуры и давления могут существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками – это явление называется – полиморфизмом

или аллотропия.

13

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Кривая охлаждения чистого железа

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления. Возникает в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве.

Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов В кристалле расстояния между атомами в различных

кристаллографических плоскостях различны, поэтому различны и свойства. Например, прочность и пластичность монокристалла меди изменяются

в зависимости от направления 180-350 Мпа, и 10-50 %. Для поликристалла прочность 250 Мпа, пластичность 40%.

В природе кристаллические тела – поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии

14

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

нет, т.к. среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым.

В связи с этим поликристаллические тела считают квазиизотропными (мнимо).

Все аморфные тела – изотропны - свойства у них одинаковы во всех направлениях

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Дефекты имеют различные размеры. У точечных размеры близки к атомным, у линейных длина на несколько порядков больше ширины, объемные дефекты (поры, трещины) могут иметь макроскопические размеры.

Точечные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.

Рис.2.1. Точечные дефекты

Линейные дефекты

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

15

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости.

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Винтовая дислокация

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название

винтовая дислокация

Плотность дислокаций

Свойства кристаллов зависят от количества дефектов, которые формируют понятие «плотность дислокаций». Плотность дислокации – это суммарная длина всех линий дислокации в одном кубическом сантиметре кристалла.

Существует связь между свойствами металла и плотностью дефектов

16

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 13. Зависимость предела прочности от плотности дефектов

Пути повышения прочности металлов

17

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 2

«Формирование структуры литых металлов»

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях:

Твердом

Жидком

Газообразном

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная

кристаллизация.

Или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации –

несамопроизвольная кристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением свободной энергии или термодинамического потенциала.

Чем объяснить существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

В природе все самопроизвольно протекающие процессы, а, следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Это можно пояснить примером:

Тяжелый шарик из положения 1 стремиться попасть в более устойчивое положение 2, т.к. в положении 2 потенциальная энергия меньше, чем в положении 1.

18

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.

При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго.

Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

19

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно изобразить графически в координатах температура – время по так называемым кривым охлаждения

Кривая охлаждения

Кривая охлаждения имеет следующий вид:

Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

зарождения мельчайших зародышей или центров кристаллизации

роста кристаллов из этих центров

Этот процесс можно изучать с помощью рассмотрения моделей (схем), что успешно применялось Миркиным И.Л.

20

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Предположим, что на некоторой площади за 1 сек возникает 5 центров кристаллизации, которые растут с определенной скоростью. К концу 1-ой сек образовалось 5 зародышей, к концу «-й они выросли и возникло еще 5 зародышей, к концу 2-й они выросли и так далее. Так в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации.

При образовании кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате этого при после затвердевания кристаллы имеют неправильную форму, их называют

кристаллитами или зернами.

Условия получения мелкозернистой структуры

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

21

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

22

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы

По механизму воздействия различают:

Вещества, не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис. Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона

2. зона столбчатых кристаллов

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

23

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Дендрит

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты .

Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Атомы элемента могут образовывать любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, и реально существующим типом

24

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, вольфрам, хром и др имеют ОЦК решетку, медь, серебро и др. – ГЦК.

Однако в ряде случаев при изменении температуры может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем была при другой температуре.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется ПОЛИМОРФИЗМОМ или АЛЛОТРОПИЕЙ.

Аллотропические формы обозначают буквами греческого алфавита.

Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре – горизонтальный участок на термической кривой.

Такие металлы как железо, кобальт, олово, марганец, титан и др. имеют полиморфные превращения.

ПРАВИЛО ФАЗ или ЗАКОН ГИББСА

Постоянная температура при кристаллизации или, что тоже самое – наличие площадки на кривой охлаждения, объясняется, доказывается

важнейшим физико-химическим законом, так называемым, правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз – это закон, выражающий соотношение между числом фаз Ф, числом компонентов К, внешних переменных В и числом степеней свободы для равновесной температуры.

25

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Чтобы успешно пользоваться этим правилом необходимо дать понятия

ФАЗА – это однородная часть системы, ограниченная от другой части системы поверхностью раздела при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

КОМПОНЕНТАМИ системы называют химические соединения или элементы, из которых может быть образована любая система. Это может быть один металл или элементы сплава.

ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ – или ВАРИАНТНОСТЬЮ СИСТЕМЫ называют количество факторов ( концентрация, температура, давление), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз системы.

Математически выражение правила фаз имеет вид:

С = К - Ф + 1 , где

К – количество компонентов, образующих систему

Ф- число фаз в системе

В – число внешних переменных

Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т.к. давление мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях.

Тогда правило фаз примет вид:

С = К – Ф + 1

Математически - степень свободы – это разность между числом

переменных и уравнений, в которые входят эти переменные Если С =0, то такое равновесие называется НОНВАРИАНТНЫМ.

При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определенных условиях - при постоянной температуре. На кривой охлаждения – площадка.

26

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Если С = 1, то система называется МОНОВАРИАНТНОЙ, система находится не в равновесии, следовательно, температура меняется – на кривой перегиб

Лекция 3

«Строение и свойства сплавов. Диаграммы состояния бинарных сплавов»

В промышленности преимущественное распространение находят не чистые металлы, а сплавы металлов с металлами или металлов и неметаллов.

Металлическим сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более компонентов.

Термин «сплав» в настоящее время имеет более широкое значение, чем во время его появления. Если раньше промышленные материалы, содержащие несколько элементов, получали преимущественно путем сплавления, то сейчас многие материалы получают и другими технологическими способами, например, порошковой металлургией, при электролизе, при плазменном напылении и др.

Роль сплавов в технике неизмеримо более велика, чем чистых металлов, т.к. они обладают более высоким комплексом свойств, которые можно широко менять в зависимости от состава.

Компоненты – это составляющие сплава.

27

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В сплавах элементы могут различно взаимодействовать между собой, образовывая различные по химическому составу и кристаллическому строению фазы.

Из однородного жидкого раствора может образоваться: однородный твердый раствор, механическая смесь или эвтектика или кристаллическое химическое соединение.

Виды взаимодействия компонентов в сплаве

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

механические смеси; химические соединения; твердые растворы.

Механические смеси

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам.

Сплав состоит из кристаллов, входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

28

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Твердые растворы

Твердые растворыэто фазы, кристаллические решетки которых состоят из атомов отдельных компонентов.

В твердых растворах один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого, располагаясь в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Т.о. твердые растворы имеют один тип решетки и представляют собой одну фазу.

Различают твердые растворы внедрения и замещения. Они являются фазами переменного состава.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки.

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки компонента растворителя.

Твердый раствор – гомогенная система, внутри его нет поверхности раздела.

Многие металлы могут в той или иной степени растворяться один в другом в твердом состоянии. Так, в алюминии может растворяться до 5,5% меди, а в меди до 39 % цинка.

Твердым раствором называется вещество, кристаллическая решетка которого состоит из атомов отдельных компонентов.

Твердые растворы с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

Компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками Различие в атомных размерах компонентов не должно превышать 9-15%

Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов.

Например, серебро-золото, медь-никель, молибден-вольфрам

Твердые растворы внедрения могут возникать только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного компонента невелик. Это углерод, азот, водород. И они могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено.

Химические соединения Химические соединения – они образованы по закону нормальной

валентности. При образовании химических соединений соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой АnВm.

Химические соединения имеют следующие характерные особенности:

кристаллическая решетка хим. соед. отличается от решеток компонентов, образующих их.

30

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Свойства его резко отличаются от свойств исходных компонентов

Они имеют постоянную температуру плавления

Образование их сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов хим. соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении.

Соединение одних металлов с другими носят общее название –

интерметаллиды. Например, Mg2 Sn.

Эвтектика Эвтектика – это механическая смесь микроскопически мелких частиц.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Диаграммы состояния – это графическое изображение состояния (фазового состав, структуры) любого сплава системы в зависимости от температуры и концентрации.

Зная ее можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплавов для получения литых деталей, сделать заключение о возможностях и условиях обработки давлением, определить режим термической обработки.

Диаграмма состояния – это паспорт сплава.

Она представляет собой собрание и обобщение результатов всех наблюдений, касающихся температур плавления и кристаллизации, структуры сплавов при различных температурах и всех процессах, протекающих в сплавах при их охлаждении.

31

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовое превращение сплава отмечается изменением физико-механических свойств, либо тепловым эффектом.

Диаграмма состояние показывает устойчивое состояние, обладающее минимальным запасом свободной энергии. Они называются диаграммами равновесия.

Построение диаграммсложный процесс. Сегодня арсенал средств для этого значительно увеличился. Это и электронная микроскопия, вакуумная техника и многое другое.

Прообраз первой диаграммы дал Д.К.Чернов. Вторая диаграмма была построена в 1875 году Р.Аустеном – медь-серебро.

Расчетные методы построения диаграмм состояния менее трудоемки. нежели экспериментальные.

Диаграммы состояния строят в координатах температура – концентрация

Типы диаграмм состояния

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно взаимно растворимы друг в друге

32

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ПРАВИЛО ОТРЕЗКОВ

Оно состоит из двух частей.

1 – правило концентрацийпозволяет определить составы (концентрации) фаз

2- правило рычага – определяет количественные соотношения фаз в процессе кристаллизации для любого сплава системы

1 часть

Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонталь (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область: проекции точек пересечения на ось концентраций дадут составы фаз.

Состав жидкой фазы покажет проекция точки пересечения горизонтали с линией ликвидуса. Другая точка пересечения покажет состав твердой

фазы.

33

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2 часть

Чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонталь. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫ КОЛИЧЕСТВАМ ЭТИХ ФАЗ.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых нерастворимы друг в друге в твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых нерастворимы друг в друге в твердом состоянии

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом виде

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом виде

35

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью и, так называемой, перитектической реакцией

36

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Диаграмма состояния с хим. соединением, образующимся по перитектической реакции

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Так как вид диаграммы, также, как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то

37

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

между ними должна существовать определенная связь. Эта зависимость установлена Курнаковым.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов.

При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов.

При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

38

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 4

«Механические свойства и способы определения их количественных характеристик»

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость,

вязкость, твердость.

Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

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.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е.

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения

39

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности ( ) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала

(0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

40

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Взависимости 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). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести– это напряжение вызывающее остаточную деформацию

Вточке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

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

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Характеристики:

относительное удлинение -

и Ln и Lk – начальная и конечная длина образца.

41

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 5

«Диаграмма состояния железо-углерод»

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe3C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67 %углерода.

42

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Диаграмма состояния железо-углерод

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С

Кривая охлаждения чистого железа имеет следующий вид

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , и высокими характеристиками

43

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пластичности (относительное удлинение – =40%,). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).

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).

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот

процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

44

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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 -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности 250МПА–) и пластичен (относительное удлинение –40%), магнитен до 768o С.

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение –), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных

45

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Диаграмма состояния железо-углерод

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

46

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На линии HJB при постоянной температуре 14990С 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 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

47

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные

превращения.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Лекция 6

«Углеродистые стали»

Сталь – основной материал, широко применяемый в машиностроении, строительстве и других отраслях. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах.

48

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь – многокомпонентный сплав, содержащий кроме железа и углерода ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn , Si, S, P, O, N, H

49

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

и др. которые оказывают влияние на ее свойства. Эти же примеси, только в больших количествах содержатся и в чугунах.

Структура стали, после медленного охлаждения состоит из феррита и цементита.

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, т.е с кислородом закиси железа FeO , в виде окислов переходят в шлак. 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 с температурой плавления 988 оС. Эвтектика образуется даже при очень малых количествах серы. Кристаллизуясь из жидкости, эвтектика располагается по границам зерен, при нагреве стали до температур прокатки или ковки (10001200о) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами.

В местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость

FeS + Mn = Mn + Fe

Т.е. марганец уменьшает красноломкость

50

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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 (например, окислов FeO SiO2 Al O3 , нитридов, и др. ). 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, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства сталей. Металл, имеющий флокены нельзя использовать в промышленности.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

1. по химическому составу они могут быть:

-низкоуглеродистыми ( менее 0,3 % С) -среднеуглеродистые ( 0,3-0,6 % С)

51

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-высокоуглеродистые ( свыше 0,7 % С)

2. по качеству:

-стали обыкновенного качества -качественные -высококачественные

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства.

Это и однородность химического состава, строения, свойств, а также ее технологичность – все это зависит от содержания в стали газов – кислорода, азота и водорода, а также таких вредных примесей как сера и фосфор.

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.

52

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Кипящие стали дешевы и практически без кремния, но с повышенным количеством газообразных примесей.

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.

На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема . Это объясняется тем, что данные стали относительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемость резанием и давлением.

Углеродистые стали выпускаются обыкновенного качества и высококачественные.

Эти стали выпускают по ГОСТ 380-94.

Они наиболее дешевы, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок:

Буквы Ст – обозначают «сталь», цифра – условный номер марки в зависимости от химического состава, кп,сп, пс – степень раскисления.

53

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В стали марки Ст0 – массовая доля марганца и кремния не нормируется Массовая доля серы в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

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

Эти стали в состоянии поставки широко применяются в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций, реже – для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и др.)

Кипящие стали, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40 градусов выше, чем стали спокойные. Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные стали.

54

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

С повышением процента углерода свариваемость стали ухудшается. Поэтому стали марок СТ5 и Ст6 применяют для элементов конструкций, не подвергаемых сварке.

-Хорошая – при С менее 0,3%С -Удовлетворительная – от 0,3 до0,35 %С -Огра Свариваемость:

ниченная – 0,4-0,5%С -Плохая – при С более0,5%С

УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ

ГОСТ 1050-88

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, 40, 45, 50, 55, 60, 65

Цифра – показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с индексомпс или кп.

Низкоуглеродистые стали (С менее 0,25%)

55

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

05кп, 08,10,10кп – обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью

Ϭ = 330-340 Мпа, δ= 33-31 %

Их без термической обработки применяют для малонагруженных деталей,. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа, их можно использовать в автомобилестроении для деталей сложной формы, они легко штампуются из-за малого содержания углерода в них. Глубокая вытяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных банок, эмалированной посуды и др.

Стали 15,15кп,20,25 (Ϭ =380-460 Мпа, δ =27-23 % ) применяют либо без термообработки или в нормализованном состоянии, а также для деталей упрочняемых цементацией. Они пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их используют для изготовления крепежных деталей, валиков, осей.

Среднеуглеродистые стали (0,3-0,5%С)

56

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

30,35,40,45,50,55 – применяются после термической обработки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения – небольшие валы, шатуны, зубчатые колеса и детали, испытывающие циклические нагрузки.

Так поле улучшения (закалка и высокий отпуск) сталь марки 45 имеет Ϭ = 600-700Мпа.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ КАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ

Высокоуглеродистые стали

57

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

60,65,70 –в основном используются для изготовления пружин и рессор, высокопрочной проволоки с высокой упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и среднему отпуску.

Инструментальные углеродистые стали ГОСТ 1435-90

У7, 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

Данные стали классифицируют:

1. По химическому составу -качественные -высококачественные (серы 0,02 фосфора 0,02 )

В марках высококачественных сталей добавляется буква «А» У7А, У8А, У8Г, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А 2. По назначению для продукции всех видов, кроме п.2

для патентированной проволоки и ленты для продукции всех видов, технология которой предусматривает многократный нагрев 3.По состоянию материала Без термообработки

Термически обработанная –Т

58

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Нагартованная – Н 4. По способу дальнейшей обработки

а. Для горячей обработки давлением б. Для холодной механической обработки

Пример условного обозначения: У12-3-б-Т ГОСТ 1435-90

Сталь марки У12, 3 группыдля продукции, технология изготовления которой предусматривает многократный нагрев, подгруппы б – для холодной механической обработки, термически обработанная.

Стали данной группы имеют небольшую прокаливаемость , из них изготавливают инструмент небольших размеров. Твердость их снижается при нагреве до 190-200 градусов С.

Это фрезы, зенкеры, ножовки, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент.

Высококачественные стали имеют тоже назначение, что и качественные, но для инструмента с более тонкой режущей кромкой.

Автоматные стали ГОСТ 1414-75

Это стали с улучшенной обрабатываемостью резанием. Достигается это введением в конструкционную сталь серы, свинца, фосфора. Эти добавки и образуемые ими включения создают как бы внутреннюю смазку, снижающую в зоне резания трение между инструментом и стружкой и облегчающие измельчение стружки.

Автоматные стали маркируют буквой «А»- автоматная, присутствие свинца обозначается С» «. Цифра – среднее содержание углерода в сотых долях процента Например, А11, А12, А20, А30, А35, А40Г, содержащих соответственно

углерода –0,11%, 0,12%, 0,2%, 0,3%, 0,4%

Буква Г –указывает на присутствие марганца.

АС14, АС40, АС35

Содержание Рв=0,15-0,35% Марганца 0,7-1,55%

Серы 0,08-0,3%

Фосфора 0,050 0,15%

59

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Эти стали широко применяются на автомобильных заводах для изготовления многих деталей двигателей.

При обработке автоматных сталей отсутствует налипание металла на инструмент, поверхность резания получается гладкая, блестящая.

Однако, как известно, сера и фосфор снижают качество стали. Автоматным сталям свойственна анизотропия механических свойств, пониженная вязкость, пластичность и особенно сопротивление усталости. Это обстоятельство, а также низкая их коррозионная стойкость ограничивают их применение для изготовления ответственных деталей машин.

Стали А11, А12, А20 используют для крепежных деталей, а также малонагруженных деталей сложных форм.

Химический состав автоматных сталей

Применение автоматных сталей позволяет в 2-3 раза снизить расход инструмента и до 30% повысить производительность.

Лекция 7

«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.

60

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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 из горячекатанных стальных профилей или из поковок или штамповок.

Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь по классической схеме – руда -чугун- сталь

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

Возможные формы графита в чугунах.

1- пластинчатый,

2- мелкопластинчатый (вермикулярный),

61

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3- хлопьевидный,

4- шаровидный графит.

В структуре чугунов с графитом различают включения графита и металлическую основу, которая может быть - ферритная, ферритоперлитная или перлитная.

Влияние компонентов и скорости охлаждения на свойства чугунов

На образование той или иной структуры оказывает влияние его химический состав и скорость охлаждения отливки.

Углерод в обычных серых чугунах содержится в пределах 2,7-3,7 %. Выделение графита увеличивается с повышением % углерода в чугунах.

Кремний, как и углерод способствует процессу графитизации. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец растворяется в чугунах, образуя твердые растворы. Марганец препятствует процессу графитизации и способствует отбелу чугуна. Содержание его обычно колеблется в пределах 0,5-0,8 %.

62

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Фосфор не оказывает влияния на процесс графитизации, фосфор повышает хрупкость чугунов за счет образования фосфидовхимических соединений.

Фосфор повышает жидкотекучесть чугунов, в художественных отливках его до 1%.В ответственных отливках- 0,2-0,3%

Сера - вредная примесь, ухудшает литейные свойства. Содержание ее в чугунах до 0,12 %.

Влияние скорости охлаждения на структуру чугунов

Структурные диаграммы чугуна. Зависимости структуры от содержания углерода и кремния, и толщины отливки (стенки). 1 - белые, 2 - половинчатые, 3 - серые перлитные, 4 - серые перлито - ферритные, 5 - ферритные серые чугуны.

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. Фазовые превращения в нем происходят согласно диаграмме состояния железо-углерод.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны могут быть

доэвтектическими ( перлит +цементит + ледебурит),

эвтектическими (ледебурит)

заэвтектическими ( цементит и ледебурит)

63

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Микроструктуры белых чугунов

Эти чугуны имеют очень большую твердость (НВ 450-550) из-за присутствия в них большого количества цементита. Как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Применение белого чугуна:

Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна. Из белых чугунов изготавливают отливки простой формы, обладающие высокой износостойкостью – валки листовых прокатных станов, шаровые мельничные колеса, тормозные колодки, буровые шарошки и другие детали, работающие в условиях износа.

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 ( другой модификацией является алмаз - это редкая форма в сплавах не встречается.

Кристаллическая решетка графита - гексагональная, слоистая, что делает графит малопрочным и мягким (не превышает 3НВ).

Процесс образования в чугунах графита называется графитизацией.

Серые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает высокой демпфирующей способностью - т.е. способностью гасить вибрации - 2-4 раза выше, чем у сталей.

Все эти свойства обусловили применение серого чугуна для изготовления:

станин различного оборудования

коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей

64

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

в станкостроении - базовые корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие

в автомобилестроении -блоки цилиндров, гильзы. поршневые кольца, распределительные валы, головки цилиндров, диски сцепления

ГОСТ 1412-85 Чугун с пластинчатым графитом для отливок

Для изготовления отливок предусмотрены следующие марки:

СЧ10 СЧ15 СЧ20 СЧ25 СЧ30 СЧ35

По требованию потребителей допускаются марки –

СЧ18 СЧ21 СЧ24

Цифра -величина минимального временного сопротивления при растяжении

в МПА 10-1

Обозначение: СЧ10 ГОСТ 1412-85

Наименее прочные чугуны на ферритной основе.

Серый чугунэто "сталь, испорченная графитом", графит имеет ничтожную прочность, играет роль надрезов, трещин, разопрочняющих чугун.

Серому литейному чугуну (на любой основе) свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения и очень низкая ударная вязкость.

65

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Помимо отрицательных сторон пластинчатого графита необходимо знать и положительную его роль:

графит улучшает обрабатываемость резанием, т.е. образуется ломкая стружка

улучшает антифрикционные свойства, играя роль смазки

благодаря графиту быстро гасятся вибрации (микро пустоты заполненные графитом)

делает чугун нечувствительным к концентрациям напряжений.

Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкие, завихренные пластины графита. Прочность их обеспечивается модифицированиеим.

Модификаторами служат ферросилиций, силикокальций, их добавляют в количестве 0,1-0,3 % от массы чугуна прямо в ковш при заливке.

Высокопрочные чугуны

Высокопрочным называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Его получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего это магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

66

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый графит и поэтому значительно меньше ослабляет металлическую основу. Высокопрочный чугун обладает более высокими механическими свойствами. Он имеет хорошие литейные свойства, хорошо обрабатывается резанием, гасит вибрации, имеет высокую износостойкость, удовлетворительно сваривается.

По ГОСТ 7293-85 производится 8 марок высокопрочных чугунов.

ГОСТ 7293-85 Чугун с шаровидным графитом для отливок

Марки: ВЧ35,ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70,ВЧ80, ВЧ100

Обозначение: ОТЛИВКА ВЧ 60 ГОСТ 7293-85

Цифра – минимальное значение временного сопротивления при растяжении в Мпа 10-1 Марка чугуна определяется его временным сопротивлением при растяжении

и условным пределом текучести.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, выше, чем у стальных отливок.

Химический состав ВЧ следующий: 3,1-3,2%С, 2,6-2,9 % кремния, 0,6-0,8

%Мп, до 0,12%Р, до 0,03% серы, 0,02-0,03% магния.

67

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Сочетая в себе высокие физико-механические свойства, высокопрочный чугун может быть использован взамен обычного серого чугуна, кованной и литой стали, а также сплавов на основе меди во многих отраслях машиностроения. Это - шпиндели карусельных станков, детали кузнечнопрессового оборудования, изложницы для разливки стали, штампы, коленчатые валы, поршневые кольца, картеры, кронштейны, подшипники качения, детали ходовой части тепловозов., подъемно-транспортные устройства, корпуса паровых турбин и др.

Ковкие чугуны

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму.

Ковкие чугуны – условное название более пластичного по сравнением с серым чугуна. Их получают в результате специального графитизирующего отжига доэвтектического белого чугуна.

68

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При производстве ковкого чугуна очень важно, чтобы отливки белого чугуна, подвергаемого отжигу, были тонкостенными (не более 40-50мм) , в противном случае в сердцевине при кристаллизации будет выделяться пластинчатый графит и чугун станет непригодным для отжига.

График отжига белого чугуна для получения ковкого

Химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, выбирается в пределах:

2,5-3,0 %С 0,7-1,5 % кремния, 0,3- 1,0 % Мп , серы менее 0,12%, Р менее

0,18%

Для ускорения отжига чугун модифицируют алюминием, выполняют отжиг в защитной атмосфере. В этом случае длительность процесса отжига уменьшается до 24-60 часов.

Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной. Либо перлитной. Излом ферритного ковкого чугуна – бархатисто черный вследствие большого количества графита.

При перлитной основе (отсутствует выдержка ниже эвтектоидного интервала температур), излом у такого чугуна – светлый – сталистый.

69

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По ГОСТ 1215-79 ковкие чугуны маркируют:

КЧ37-12

Первая цифра – временное сопротивление в кг/мм2, вторая – относительное удлинение в %

Обозначение - Отливка КЧ30-6–Ф ГОСТ 1215-79

Отливка КЧ60-3-П ГОСТ 1215-79

Ф – обозначает – ферритного класса

П – обозначает -перлитного класса Марки ковких чугунов:

КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ 45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3

Из отливок ковкого чугуна изготавливают детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках

КЧ37-12, КЧ35-10 (Ф Детали, эксплуатируемые при основа) высоких динамических и

статических нагрузках – картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы

70

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

КЧ30-6, КЧ33-8 (Ф Менее ответственные детали – основа) головки, хомутики, гайки, глушители,

фланцы, муфты

КЧ50-5, КЧ 55-4 (П Вилки карданных валов, звенья и основа) ролики цепей конвейера, втулки,

муфты, тормозные колодки

Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомобильном, текстильном машиностроении, в судо, -котло,- вагоно и дизелестроении.

Недостаток – высокая стоимость из-за длительного отжига.

Лекция 8 «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.

ТО самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов.

ТО может быть применения как промежуточная операция для улучшения технологических свойств ( обрабатываемости резанием, давлением и т.д.) и как окончательную операцию для придания сплаву комплекса свойств, которые обеспечивают необходимые эксплуатационные характеристики изделия .

71

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Чем ответственнее конструкция, тем больше в ней термически обработанных деталей.

ЦЕЛЬЮ ТО – является изменение свойств металла путем изменения его структуры.

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ТО – температура и время.

Поэтому режим любой термообработки можно представить графически в координатах температура и время

По этому графику можно определить температуру нагревания, время нагрева, выдержки, охлаждения, общую производительность производственного цикла. График может быть и более сложного вида. Но по форме этого графика нельзя сказать, с каким видом ТО мы имеем дело.

72

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ВИД ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ НЕ ХАРАКТЕРОМ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВО ВРЕМЕНИ, А ТИПОМ ФАЗОВЫХИ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ.

Термическая обработка ТО - заключается только в термическом воздействии на металл.

Термомеханическая ТМО – заключается в сочетании термического воздействия и пластической деформации

•Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

73

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

•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. В данном случае используется способность металлов растворять различные, окружающие их поверхность элементы, атомы которых, при повышенных температурах, могут диффундировать в металлы.

Термомеханическая (термопластическая) обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа

В системе железо-углеродистых сплавов приняты следующие обозначения критических температур.

Нижняя критическая точка – Ас1 соответствует линии PSK при охлаждении – Аr1

Верхняя критическая точка – Асз соответствует линии GOS при охлаждении – Аr 3

74

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Температура линии SE – обозначается Асm

РОСТ ЗЕРНА АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

Зародыши аустенита при нагреве выше Ас1 образуются на границе раздела феррит-карбид. При таком нагреве число зародышей всегда велико и начальное зерно аустенита мелкое.

При дальнейшем повышении температуры и увеличении выдержки происходит рост зерна.

Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава и зависит от условий выплавки.

По склонности к росту зерна различают два типа сталей:

наследственно мелкозернистые наследственно крупнозернистые

В наследственно мелкозернистых сталях при нагреве до высоких температур (1000-1050оС) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна.

В наследственно крупнозернистых сталях наоборот сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше Ас1

75

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ПРЕВРАЩЕНИЕ АУСТЕНИТА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ

Нагреем эвтектоидную сталь до аустенитного состояния. При медленном охлаждении ее на линии эвтектоидного превращения происходит полный распад аустенита с образованием перлита

А Ф+Ц

Это превращение идет диффузионно и состоит из следующих этапов:

перестройка решетки альфа железа в гамма железо

выделение из твердого раствора мельчайших частиц цементита

укрупнение частиц цементита в пластинки, размер которых измеряется от долей мм до микронов

76

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При ускорении охлаждении до 15-50 оС/сек диффузия протекает в меньшей степени и образуется более дисперсная смесь феррита и цементита, размеры пластинок достигают десятых долей микрометра. Такая структура называется СОРБИТ.

При ускорении охлаждения до 50-100 оС/с возможности диффузии еще более ограничиваются, а третий этап приостанавливается в самом начале. В результате пластины получаются еще более мелкие, такая мельчайшая смесь феррита и цементита была названа ТРООСТИТ.

77

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При ускорении охлаждения до 150-200оС/с успевает завершиться лишь перестройка решетки гамма в альфа., процесс диффузии произойти не успевает, углерод остается в альфа железе. Атомы углерода искажают решетку, она становится вытянутой – тетрагональной. Такой пересыщенный твердый раствор углерода в альфа железе называется МАРТЕНСИТОМ.

Структура ПЕРЛИТА, получающаяся при медленном охлаждении,

называется равновесной (как и все структуры, получаемые на диаграмме состояния)

Структуры перлита, сорбита и троостита, получающиеся при ускоренном и быстром охлаждении, называются неравновесными.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек по отношению к их положению на диаграмме равновесия

РАСПАД АУСТЕНИТА. ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ.

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде П на Ф-Ц смесь.

При А1 аустенит и перлит будут находиться в равновесии, т.к. их свободные энергии равны. Для того, чтобы превращение А в П было устойчиво, необходимо некоторое переохлаждение, при котором свободная энергия П будет ниже свободной энергии А. превращение идет при температуре Аr1, которая ниже А1.

Мартенситное превращение начинается при температуре 240°С Мн и заканчивается при отрицательных температурах Мк.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами время- температура-степень распада или диаграммами изотермического превращения аустенита, то есть превращения, протекающего при постоянной температуре.

Диаграмму строят в координатах температура-время (логарифм времени)

78

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до состояния аустенита, а затем быстро охлаждают (переохлаждают) до температур ниже А1 (700,600,500,400,300 оС) и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Степень распада определяют различными методами (микроскопическими, магнитными и др.). Результаты исследований при постоянной

температуре характеризует кривая, показывающая количество распавшегося аустенита в зависимости от времени распада.

В течение некоторого промежутка времени Н1, Н2, Нз – распад экспериментально не фиксируется. Этот период называется инкубационным.

По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур.

В области повышенных температур распад протекает с образованием структуры ФиЦ (перлитное превращение)

Скорость распада в начале быстро увеличивается, потом постепенно замедляется. Через некоторое время (К1К2Кз) процесс распада заканчивается.

Точки соединяют плавными линиями Первая кривая – показывает начало распада аустенита Вторая – конец распада

Область, лежащая левее первой кривой, определяет продолжительность инкубационного периода, здесь находится переохлажденный аустенит, не претерпевший распада

79

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При переохлаждении аустенита до 240оС или ниже Мн происходит превращение А в Мартенсит. Диффузионные процессы полностью подавляются.

Лекция 9 «Технология термической обработки стали»

ОТЖИГ

Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью – привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций, по возможности низкой твердости и высокой пластичности.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ, НЕ СВЯЗАННАЯ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ (ОТЖИГ 1 РОДА)

Этот вид отжига в зависимости от температурных условий устраняет химическую и физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками, не связан с фазовыми превращениями, его можно проводить при температурах ниже или выше температур фазовых превращений.

Отжиг 1 рода

80

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГОМОГЕНИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ или ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ

В реальных условиях кристаллизации расплава имеет место внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристалла обогащена тугоплавким компонентом, а наружные части сплава, а наружные – менее тугоплавким.

Внутрикристаллическая ликвация затрудняет последующую обработку давлением, т.к. снижает пластичность стали.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора.

Дендритная ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, она понижает пластичность, вязкость стали.

При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированных сталей, слитки алюминиевых сплавов.

В стальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение элементов в объеме зерен твердого раствора.

Его ведут при температуре 1100-1300 ° С с выдержкой 20-50 часов, затем медленное охлаждение.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ

Это нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации.

Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла.

Напомню, что наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристаллическая решетка вследствие высокой плотности дислокаций и наличия большого количества дефектов, находится в неравновесном состоянии.

81

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Наклеп приходится устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузионные процессы.

Цель рекристаллизационного отжига – понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение заданного размера зерна.

Скорость охлаждения здесь не имеет большого значения – обычно на воздухе.

Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением:

Трек. = а х Т пл., где

Тпл – температура плавления сплава в К

А –коэффициент, зависящий от состава сплава

У углеродистых сплавов – 0,4 у легированных – 0,8

Для углеродистых сталей рекристаллизационный отжиг проводится при температуре 600-700°С.

ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Применяется для отливок, сварных изделий, деталей после обработки

резанием, т.е. деталях, в которых возникли остаточные напряжения. Они могут вызвать деформацию деталей в процессе эксплуатации, могут привести к преждевременному короблению или разрушению конструкции.

Температура отжига колеблется от 160 до 700°с последующим медленным охлаждением.

В стальных и чугунных отливках значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при т-ре 450°С. Выдержка от нескольких до десятков часов в зависимости от массы.

Отжиг для снятия сварных напряжений происходит при т-ре 650-700°С.

Многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) проходят отжиг после

82

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

основной механической обработки при т-ре 570-600°С в течение 2-3 часов, и после окончательного шлифования – при т-ре 160-180°С и выдержке – 2-2,5 часа.

ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ, СВЯЗАННАЯ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ.

Цели отжига 2-го рода

-снижение твердости

-повышение пластичности

-получение однородной мелкозернистой структуры,

-полное снижение внутренних напряжений

-улучшение обрабатываемости резанием

Это нагрев стали выше критических температур Асз и Ас1, выдержки и медленным охлаждении вместе с печью.

В результате этого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного состояния. После отжига 2-рода получаются структуры, указанные в диаграмме состояния железо-цементит.

Следовательно, цель отжига 2-рода-снижение твердости, повышение пластичности и получение однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при нем полностью снимаются остаточные напряжения.

83

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При изотермическом отжиге – выдержка происходит при температуре 650°С в другой печи, затем идет охлаждение на спокойном воздухе.

При этом уменьшается длительность процесса, структура становится более однородной. Он улучшает обработку резанием, чистоту поверхности, уменьшает деформации. Его используют для поковок (валы, шестерни, зубчатые колеса, муфты и др. детали небольших размеров).

СФЕРОИДИЗИРУЮЩИЙ ОТЖИГ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ (СФЕРОИДИЗАЦИЯ)

Высокая твердость инструментальных сталей затрудняют их механическую обработку резанием.

Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого перлита, когда цементит перлита имеет округлую форму – отсюда и название отжига – сфероидизирующий.

Сфероидизирующий отжиг – это нагрев инструментальных сталей (эвтектоидных и заэвтектоидных) до температуры на 30-50° выше температуры Ас1 (727°) и последующим медленным вместе с печью охлаждением.

При сфероидизирующем отжиге идет распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси, сфероидизация, коагуляция карбидов.

Зернистый перлит имеет более низкую твердость и прочность, но более высокую пластичность.

84

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Нагрев стали выше на 30-50°С критической температуры Ас1 называется еще неполным отжигом.

Для доэвтектоидных сталей он применяется для улучшения обрабатываемости резанием. Здесь идет лишь частичная перекристаллизация А П.

НОРМАЛИЗАЦИЯ

Нормализацией называется вид термической обработки, заключающейся в нагреве стали до температур выше критических, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше на 30-50оС линии Асз, а заэвтектоидные – выше температуры Асm.

Нормализация – более экономичный, чем отжиг вид обработки, т.к. меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Нормализацию иногда называют ускоренным отжигом.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию,

устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке и ли штамповке.

Охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито - цементитной смеси.

85

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это приводит к получению после нормализации более высокой прочности

и твердости, чем после отжига.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали:

Для низкоуглеродистых сталей нормализация проводится вместо отжига для увеличении производительности обработки.

Для среднеуглеродистых сталей, когда от материала изделия не требуется высоких прочностных свойств – нормализация применяется вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут при этом несколько ниже, но вероятность появления трещин – меньше.

Дефекты при отжиге и нормализации

При отжиге и нормализации могут возникнуть следующие дефекты.

Окисление- при нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина – химическое соединение металла с кислородом. С увеличением температуры и времени выдержки окисление резко возрастает.

Окалина вызывает не только угар – потерю металла на окалину, но и повреждает поверхность детали, затрудняется дальнейшая обработка ее режущим инструментом.

Окалину удаляют травлением в растворе серной кислоты, очищают в дробеструйных установках

Обезуглероживание - это выгорание углерода с поверхности детали, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства стали, способствует образованию трещин и короблению.

Для предотвращения окисления и обезуглероживания – применяют безокислительные (защитные) газы, которые вводят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных температур и длительной выдержке в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление

называется перегревом.

86

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. Он может быть исправлен повторным правильным нагревом – отжигом и нормализацией.

Пережог – получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления.

Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает вглубь нагреваемого металла и окисляет границы зерен. В результате механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким.

Пережог является неисправимым браком

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали.

Закалкой называется вид термообработки, состоящий в нагреве стали до температуры выше критических точек Асз или Ас1, выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем быстром охлаждении.

Для углеродистых сталей - чаще всего - это охлаждение проводят в воде, для легированных – в масле.

Закалка не является окончательной операцией термообработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой и получить

87

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

требуемые механические свойства – сталь после закалки подвергают отпуску

Цель закалки –получение высокой твердости, прочности, износостойкости.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры Асз+30-50°

Эвтектоидные и заэвтектоидные – до температур Ас1+30-50°

Стали, содержащие менее 0,3 % углерода практически не закаливаются.

При закалке фиксируются переходные структуры, главным представителем которых является мартенсит.

Нагрев доэвтектоидных сталей до температуры Ас1 +30-50° – называется неполной закалкой. Т.к. выше Ас1структура Ф+А, при охлаждении аустенит переходит в мартенсит, а феррит с твердостью 80НВ – остается.

Для заэвтектоидных сталей – неполная закалка является и полной, т.к. цементит имеет твердость 800НВ. И нет необходимости от него избавляться, нагревая сталь до области одного аустенита.

88

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагреваемых печей и нагревательной среды.

Чем больше размеры и сложнее конфигурация, тем медленнее происходит нагрев.

Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или пользуются специально разработанными таблицами. Например, при 800° 1 мм диаметра сечения нагревается 1 минуту.

Оборудованием при нагреве служат нагревательные термические печи или печи-ванны, которые подразделяются на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля).

Нагрев должен производиться как можно быстрее, однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы равномерно прогреться и получить аустенитную структуру

Скорость охлаждения при закалке регулируется средой охладителей, которые могут быть:

сильные –100-500°/с

умеренные –10-100°/с

слабые 1-10°/с

В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли.

89

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Если принять охлаждающую способность воды при 20оС за единицу, то охлаждающая способность:

масло –0,17-0,44

расплавленного свинца – 0,05

воздуха – 0,03

Различают следующие виды закалок:

А) Закалка в одном охладителе

Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Применяется для деталей простой формы из углеродистой стали.

Б) Закалка в двух средах

Нагретую деталь сначала охлаждают в воде до температуры несколько выше Мн, а затем быстро переносят в другую среду (масло, воздух), где она охлаждается до температуры 20о. Во второй закалочной среде уменьшаются внутренние напряжения, связанные с превращением Аустенита в мартенсит. Применяется при закалке высокоуглеродистых сталей и требует высокой квалификации термиста.

В) Ступенчатая закалка

Нагретая деталь охлаждается в среде, имеющей температуру несколько выше Мн (250о) и выдерживают в ней до выравнивания температуры по всему сечению. Затем окончательно охлаждают на воздухе, где идет превращение аустенита в мартенсит. При этой закалке уменьшаются объемные напряжения, коробление, опасность возникновения трещин.

Г) Изотермическая закалка

Выполняется также, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. Данной закалке подвергаются в основном легированные стали.

Дефекты, возникающие при закалке 1. Окисление и обезуглероживание

90

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Оно происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых (защитных) атмосфер. Нагрев в соляных ваннах или расплавленном свинце предохраняет поверхность детали от окисления и обезуглероживания.

2. Передержка и перегрев

Проявляется в укрупнении зерна аустенита и, следовательно, укрупнении игл мартенсита. Это способствует охрупчиванию и появлению при закалке трещин. Устраняется повторной закалкой.

3.Недостаточная твердость

Может быть вызвана недогревом или недостаточно интенсивным охлаждением

4.Образование «мягких пятен»

«Паровая рубашка», захват клещами, сохранение приставшей окалины, включения феррита – все это способствует образованию мягких пятен.

5.Трещины – образуются после окончательного охлаждения. Склонность к образованию трещин растет с увеличением содержания углерода в стали, повышению температуры закалки и скорости охлаждения. Кроме этого способствуют появлению трещин резкое изменение сечений изделий, подрезы, выступы, углубления. При конструировании – необходимо избегать их.

6. Деформация и коробление

ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ

Закаленная сталь всегда находится в структурно напряженном состоянии. Внутренние напряжения, возникающие при закалке бывают:

тепловые

структурные

Тепловые возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия, т.е. они вызваны перепадом температур по сечению изделия.

Структурные – возникают в результате превращения аустенита в мартенсит. Так, мартенсит обладает наибольшим удельным объемом из

91

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

всех прочих состояний. Величина их тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения.

Снимаются последующим видом термообработки – отпуском.

ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ

Под закаливаемостью – понимают способность данной стали

приобретать высокую твердость в результате закалки.

Она зависит в основном от содержания углерода в стали, чем его больше, тем выше твердость стали после закалки.

Под прокаливаемостью – понимают степень проникновения закалки во внутренние слои изделия, т.е. способность образовывать мартенситную или троостито-мартенситную структуру на определенную глубину.

Прокаливаемость стали зависит от устойчивости переохлажденного аустенита. Чем выше устойчивость переохлажденного аустенита, тем выше прокаливаемость.

Практически для углеродистой стали полную прокаливаемость получают прутки диаметром 25 мм или 1 дюйм, т.е. если валик будет иметь диаметр 25 мм, то он полностью прокалится. Это примерная ориентация.

92

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ

Часто на практике нужна лишь поверхностная твердость, т.к. у ряда изделий износ составляет лишь доли мм. А твердость в сердцевине не только не нужна, но и нежелательна.

В этих случаях применяют так называемую поверхностную закалку.

При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Назначение поверхностной закалки:

повышение твердости, износостойкости, предела выносливости

93

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сердцевина при этом остается вязкой, хорошо воспринимающей ударные нагрузки.

Различают следующие виды поверхностной закалки:

-поверхностную закалку с индукционным нагревом -газовую поверхностную закалку

Закалка с индукционным нагревом

Впервые индукционный нагрев для термической обработки был предложен в 1935 году Вологдиным. В 1937 году этот процесс был применен на Зиле для упрочнения многих деталей автомобиля.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор, представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждающей медной трубки.

Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле.

В результате индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи и происходит выделение джоулевого тепла. Ток проходит в основном в

94

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

поверхностном слое проводника. Это явление называется – поверхностным эффектом.

Источниками электропитания служат машинные и реже ламповые генераторы.

Для каждого типа детали изготавливают отдельный индуктор, конфигурация которого соответствует форме закаленной детали.

ВЧ-закалка является высокопроизводительным и экономически выгодным способом лишь при серийном и массовом производстве, когда в индукторе обрабатывают большое количество деталей.

возможность получения слоя заданной глубины

высокая производительность

получение высокой твердости

отсутствие окалины и незначительное коробление

возможность полной автоматизации процесса

возможность закалки любых поверхностей и деталей различной конфигурации.

При газовой поверхностной закалке поверхность детали нагревается ацетилено-кислородным пламенем, а затем охлаждается водой.

Кроме ацетилено-кислородного пламени могут быть использованы и другие горючие газы – метан и др. Температура в вершине внутреннего конуса при этом достигает 3100оС.

Как закалочную машину можно использовать токарный станок, а в качестве закалочной горелки – обычную сварочную горелку со специальными многопламенным наконечником.

В патрон токарного станка закрепляется закаливаемая деталь – вал, в суппорте закрепляется горелка. Суппорт перемещается вдоль медленно вращающейся детали, нагревает ее, а затем производят душевое охлаждение.

Здесь закаливают обычно крупные детали.

НЕДОСТАТКИ ГАЗОВОЙ ЗАКАЛКИ:

95

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Неравномерность прогрева, а, следовательно, и закалки не высокая производительность процесса

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуском называется вид термической обработки, состоящей в нагреве закаленной стали до температур ниже критической Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые свойства.

Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие после закалки. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения.

При отпуске неравновесная структура, состоящая из мартенсита и аустенита остаточного в более устойчивое состояние. Этот переход связан с диффузионным распадом твердого раствора на феррито-цементитную смесь и протекает тем полнее, чем выше температура нагрева.

Температура нагрева при отпуске оказывает основное влияние на свойства отпущенной стали.

Различают следующие виды отпуска:

Низкий отпуск достигается нагревом до температуры 150—250° С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При выдержке во время отпуска в указанном интервале температур мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, при этом внутренние

96

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

напряжения частично снимаются и остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость, а иногда твердость повышается за счет распада остаточного аустенита; устраняется закалочная хрупкость. Такой отпуск применяют для режущего инструмента и изделий, которым необходима высокая твердость. Превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, что необходимо для измерительного инструмента, изготовляемого из инструментальной стали. Этому инструменту также дают низкий отпуск.

Средний отпуск производят при 300—500° С. Твердость стали заметно понижается, вязкость увеличивается. Средний отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости.

Высокий отпуск происходит при 500—600° С, его основное назначение — получить наибольшую вязкость при доста­точных пределах прочности и упругости стали. Применяют этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, подвергающихся действию высоких напряжений, особенно при ударной нагрузке Для деталей различных машин и станков обычно применяют термическую обработку, состоящую в закалке с последующим высоким отпуском при температуре, обеспечивающей получение сорбита отпуска и хорошего

Нагрев при отпуске можно производить в тех же печах, которые применяют для других видов термической обработки, но он требует более равномерной температуры и более точного контроля.

УЛУЧШЕ́НИЕ СТА́ЛИ, двойная термическая обработка — закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском для получения однородной дисперсной структуры сорбита, обеспечивающей хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и критической температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние.

97

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 10

«Химико-термическая обработка»

ХТО называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При ХТО происходит поверхностное насыщение стали элементами ( С,N, Al, Cr, SI и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, жидкой) при высокой температуре.

При ХТО получается большая разность между составом и свойствами поверхностного слоя и сердцевины

ХТО включает три последовательные стадии (элементарные процессы):

ДИССОЦИАЦИЯ – распад молекул и образовании активных насыщающих элементов

2СО = СО2+ С

2NH3 = 3 H2 + 2 N

Степень распада молекул газа в % называется степенью диссоциации

АБСОРБЦИЯ – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающегося

элемента. Происходит на гране газ – металл. Развитию процесса абсорбции способствует возможность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.

ДИФФУЗИЯ – проникновение насыщающего элемента вглубь металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в основном металле и высокой температуре. Количественно процесс диффузии характеризуется так называемым коэффициентом диффузии Д, зависит от температуры, чем выше температура, тем больше и полнее идет процесс диффузии Продолжительность ХТО определяется требуемой глубиной диффузионного слоя

Рассмотрим основные виды ХТО

ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.

Цель цементации – получение твердой и износостойкой поверхности при сохранении вязкой пластичной сердцевины.

98

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Цементации подвергаются стали, содержащие углерода 0,12-0,23 %

Цементацию проводят при температурах выше критической Ас3 , т.е.920950 градусов, при которой сталь находится в аустенитном состоянии, растворяющим углерод в больших количествах.

Толщина цементованного слоя от 0,5 до 3 мм

Время выдержки зависит от требуемой толщины цементованного слоя и составляет от 6 до 24 часов.

В зависимости от вида карбюризатора (вещества, содержащего углерод) различают следующие основные виды цементации:

твердая

газовая

жидкостная

ЦЕМЕНТАЦИЯ В ТВЕРДОМ КАРБЮРИЗАТОРЕ

Насыщающая среда – древесный уголь (дубовый или березовый) или торфяной кокс + активизаторы: углекислые барий ВаСО3, кальцинированная сода в количестве 10-40% от массы угля.

Изделия укладывают в специальные железные ящики. На дно которых насыпают карбюризатор, сверху деталей снова – карбюризатор, ящик закрывается крышкой, имеющей отверстие для выхода газов, обмазывают огнеупорной глиной и помещают в печь, нагретую до температуры 920 – 950 оС. Продолжительность выдержки от 5 лр 15 часов в зависимости от размеров ящика.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400-500оС далее ящики раскрывают.

99

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГАЗОВАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ

Это процесс насыщения углеродом в среде углеродосодержащих газов.

Чаще всего – это природный газ, состоящий почти целиком из метана - СН4 и пропан бутановых смесей

Температура цементации – 910-930оС

Время выдержки – 6-12 часов

Толщина слоя – до 1.5 мм

Газовую цементацию проводят в различных печах (шахных, муфельных и др.) через которые пропускают газ.

Газовая цементация применима для условий массового производства деталей.

Преимущества ее:

возможность получения заданной концентрации в слое

сокращение длительности процесса

возможность обеспечения полной автоматизации производства

упрощение последующей термообработки, которая осуществляется сразу из цементационной печи

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОСЛЕ ЦЕМЕНТАЦИИ

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются после термической обработки, выполненной после цементации.

Нормализация – для уменьшения величины зерна, неизбежно вырастающего в результате нагрева до 950оС., устранения карбидной сетки цементованного слоя

Закалка – для увеличения твердости поверхностного слоя, 58-62НRCэ, структура – мелкодисперсный мартенсит

Низкий отпуск – снимает внутренние закалочные напряжения и оставляет высокую твердость мартенсита.

АЗОТИРОВАНИЕ

100

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Азотированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в атмосфере аммиака.

Цель азотирования – повышение твердости поверхностного слоя

износостойкости

предела выносливости

сопротивления коррозии (в таких средах как вода, пар и др.)

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до 600-650оС , тогда как мартенсит сохраняет свою твердость только до температуры 200-250оС

Азотированию подвергают шестерни, цилиндры, пресс-формы, коленчатые валы, штампы.

В сплавах железа с азотом образуется ряд твердых растворов ( азота в альфа-железе, твердые растворы на основе нитридов железа.

Азотирование проводят в атмосфере аммиака.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые после азотирования получают высокую твердость и износостойкость. Кроме нитридов железа, твердость которых невелика, наиболее сильно повышают твердость вольфрам, хром, молибден, ванадий.

Классическая сталь для азотирования – 38Х2МЮА

Азотирование углеродистых сталей повышает их коррозионную стойкость.

Температура азотирования – 520-600оС

Толщина азотированного слоя - до 0,6 мм

продолжительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя.

ЦИАНИРОВАНИЕ

Цианированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820-950оС в расплавленных цианистых солях.

101

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Цели цианирования – повышение поверхностной твердости, прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, предела выносливости. Различают:

1. СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНОЕ ЦИАНИРОВАНИЕ

Это нагрев до 820-860оС в расплавленных цианистых солях (NaCNKCN) продолжительность процесса – от 30 до 90 мин далее закалка непосредственно из цианистой ванны и низкий отпуск. Применяется для мелких деталей.

2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ЦИАНИРОВАНИЕ

Это нагрев до температуры 930-950оС в расплавленных цианистых солях продолжительность процесса 1, 5 часа-6 часов Зеркало ванны для предотвращения угара цианистых солей покрывают слоем графита.

После цианирования также проводят закалку и низкий отпуск. Преимущества цианирования перед цементацией - уменьшение времени – повышение производительности, больше износостойкость, коррозионная стойкость, меньше коробление.

Недостатки – высокая стоимость, ядовитость цианистых солей, необходимы меры по охране труда.

НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ

Нитроцементация – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840-860оС в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Продолжительность процесса – 4-10 часов

Цели – те же, что и при цианировании

Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется\ диффузионный процесс.

Температура при нитроцементации ниже, чем при цементации, что положительно.

Толщина слоя – 0,2-0,8 мм

После нитроцементации следует закалка и низкий отпуск, твердость – 58-

64НRCэ.

102

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.

Наиболее широко применяется на автомобильных и тракторных заводах. В частности на Вазе 94,5% деталей, проходящих ХТО, подвергаются нитроцементации.

БОРИРОВАНИЕ

Борирование – это вид ХТО, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде.

Цель борирования – повышение поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, окалиностойкости до 800оС и теплостойкости.

Борирование выполняется при электролизе расплавленной буры

Na2B4O7. Но может быть и газовым в среде диборана или хлористого бора, либо без электролиза в ваннах с расплавленными солями.

Температура процесса 930-950оС

Время выдержки – 2-6 часов

Толщина слоя очень небольшая – 0,1-0.2 мм

Диффузионный слой состоит из боридов,обладающих высокой твердостью.

Борированию подвергают втулки насосов, диски, штампы, детали прессформ и др.

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Диффузионная металлизация – это насыщение поверхностного слоя стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и др.

Различают следующие основные способы диффузионной металлизации:

погружение в расплав металла

диффузия из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент

путем испарения диффундирующего элемента из газовой среды Различают следующие виды диффузионной металлизации.

АЛИТИРОВАНИЕ

103

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это диффузионное насыщение поверхностного слоя металла алюминием

Цель алитирования – повышение окалиностойкости (до 900оС) , при этом образуется плотная пленка окислов Аl2O3, предохраняющая металл от окисления, повышения коррозионной стойкости.

Алитирование осуществляется погружением деталей в расплавленный алюминий (660оС)

толщина слоя 0,2-1 мм

структура алитированного слоя - твердый раствор алюминия в альфажелезе.

Алитированию подвергают чехлы термопар, топливники газогенераторных машин, детали разливочных ковшей и др. детали, работающие при высоких температурах.

ХРОМИРОВАНИЕ

Это насыщение поверхностного слоя хромом.

Цель – повышение окалиностойкости до 800оС, коррозионной стойкости в морской воде и азотной кислоте, увеличения твердости и износостойкости

Диффузионный слой состоит из твердого раствора хрома в альфа-железе, карбидов хрома

толщина слоя – 0,1-0,15 мм

Хромированию подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапаны, вентили, детали, работающие на износ в агрессивных средах.

СИЛИЦИРОВАНИЕ

Это насыщение поверхностного слоя кремнием

Цель – повышение коррозионной стойкости в морской воде, азотной и серной кислотах, износостойкости.

Силицированный слой состоит из твердого раствора кремния в альфажелезе

Толщина слоя – 0,3-1мм

При низкой твердости износостойкость силицированного слоя велика.

104

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Силицированию подвергают детали химического оборудования, бумажной и нефтяной промышленности – валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и др.

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТМО)

Это широко применяемый в машиностроении эффективный способ упрочнения металлов. Он позволяет повысить механические свойства по сравнению с полученными при обычной закалке и отпуске.

ТМО заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой.

Цель ТМО - получение высокой твердости в сочетании с высокой вязкостью и устранение отпускной хрупкости.

Формирование структуры закаленной стали происходит в условиях повышенной плотности дислокаций, обусловленных наклепом.

Пластическое деформирование при ТМО производят прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением.

В процессе пластической деформации аустенита возникает наклеп, обуславливающий создание мелкоблочной структуры, затем немедленно следует закалка, фиксирующая особо тонкую структуру, созданную наклепом. Образуется высокодисперсный мартенсит.

Различают два основных способа ТМО, в зависимости от того, в каком температурном интервале производится пластическая деформация:

ВТМОвысокотемпературная термомеханическая обработка НТМО – низкотемпературная термомеханическая обработка

При ВТМО сталь деформируют при температуре выше Ас3.

Степень деформации составляет 20-30%. после деформации немедленно следует закалка во избежании развития процесса рекристаллизации.

105

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При НТМО сталь деформируют в зоне существования переохлажденного аустенита (400600оС). Температура должна быть выше Мн, но ниже температуры рекристаллизации. Степень деформации – 75-95%.

Механические свойства при НТМО выше, чем при ВТМО

Проведение НТМО более сложно по сравнению с ВТМО. Требует более мощные деформирующие средства, т.к. аустенит при 400 оС менее пластичен.

Сочетание высокой прочности и пластичности при НТМО позволяет использовать ее при изготовлении высокопрочных пружин, рессор и подвесок.

Лекция 11

«Легированные стали»

Углеродистые стали, которые мы изучали, во многих случаях не отвечают высоким требованиям, предъявляемым к материалам современной техники. Они доступны, относительно не дороги, технологичны (хорошо обрабатываются, свариваются), но зачастую не отвечают всему

комплексу свойств, предъявляемых к современным материалам.

Наибольшее распространение для изготовления ответственных деталей и конструкций в машиностроении, энергетике, строительстве и на транспорте имеют легированные стали.

Легированные стали – это стали, в которые для получения определенных свойств специально введены элементы, называемые легирующими. Например, хром, никель, вольфрам, алюминий и др.

Легирующие элементы изменяют химический состав, строение и свойства стали: повышают прочность, твердость при сохранении высокой пластичности, увеличивают прокаливаемость стали. Легированные стали могут обладать такими свойствами как жаропрочность, жаростойкость, коррозионной стойкостью, особыми электрическими или магнитными свойствами.

При этом нужно иметь в виду, что основные преимущества легированных сталей проявляются только после правильно выбранной термической обработки, которой обязательно должны быть подвергнуты легированные стали.

106

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рассматривая легированные стали необходимо прежде всего выяснить как легирующие элементы взаимодействуют с основными компонентами стали – железом и углеродом.

С железом – легирующие элементы могут образовывать следующие фазы:

твердые растворы

интерметаллиды (соединения металла с металлом)

С углеродом - они могут образовывать специальные карбиды.

По влиянию на полиморфизм железа легирующие элементы делятся на две группы:

Элементы, расширяющие гамма-область

1группа - никель, марганец, кобальт, медь

Элементы, сужающие гамма область и расширяющие альфа область

2 группа - Cr, W, V, Si, Al, Ti

Самые сильные аустенизаторы – никель и марганец.

При большом содержании в стали легирующих элементов 1 группы - аустенитная структура стали сохраняется до нормальных температур.

Это стали – аустенитного класса.

При легировании стали элементами 2 группы – в структуре их будет феррит – стали ферритного класса.

107

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

До сих пор мы не учитывали влияния углерода.

Легирующие элементы могут сдвигать точку Е диаграммы состояния железо-углерод влево и в структуре стали появится ледебурит – типичная структура чугунов, так получаются стали ледебуритного класса ( например, быстрорежущие стали)

Перлитная структура может быть не при 0,8% углерода, а меньше, так как точка S диаграммы также может сдвигаться влево.

Мы рассмотрели случаи, когда структуры получаются при очень медленном охлаждении, т.е. отожженные, равновесные.

Таким образом, по структуре в отожженном состоянии легированные стали делятся на следующие классы:

Перлитный (доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные)

Ферритный

Полуферритный

Аустенитный

Полуаустенитный

Легированные стали можно классифицировать по структуре в нормализованном состоянии:

Они делятся на 3 класса:

Перлитный

Мартенситный

Аустенитный

Все Л.Э. по взаимодействию с углеродом делятся на 2 группы

1.Карбидообразующие

2.Некарбидообразующие

К 1-м относят (по степени возрастания активности) Fe Mn Cr Mo N V Ti Nb Ко 2-м относят – Ni Co Cu Si

108

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

в) измерительный инструмент

стали и сплавы с особыми свойствами

а) нержавеющие

б) с высоким электросопротивлением

в) с особым тепловым расширением

г) магнитные

д) жаропрочные и жаростойкие

МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Обозначение марок легированных сталей производится по буквенноцифровой системе Л.Э. обозначаются следующими буквами:

Каждая марка состоит из букв и цифр. Первые цифры марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Цифры, стоящие за буквами, обозначают среднее содержание данного легирующего компонента в целых долях %..

При содержании элемента менее 1% цифра отсутствует. При содержании элемента около 1% - стоит цифра 1.

НАПРИМЕР,

30ХГСНА, 12Г2, ХВ5, Х12М. 10Х18Н9Т, 9ХС, 25Н3, 3Х2В8Ф

Нестандартные обозначения:

ШХ15, Р18, ЭИ179, ЕХ3

(соответственно шарикоподшипниковая, быстрорежущая, магнито-мягкая, магнито-твердая )

Конструкционные легированные стали

Конструкционные легированные стали, применяемые при обычных температурах

Конструкционными называются стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Стали, применяемые в

конструкциях и сооружениях, называются строительными. Четкой границы по химическому составу между строительной и

110

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

машиностроительными сталями нет. Конструкционными могут быть как углеродистые, так и легированные стали. Содержание углерода в этой группе не превышает 0.6 %.

Основные легирующие элементы конструкционных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Для дополнительного улучшения механических свойств вводят молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.

Большинство сталей этой группы относят к перлитному классу, в равновесном состоянии – в группу – доэвтектоидных.

Конструкционные стали подразделяются:

строительные, низколегированные стали

машиностроительные – цементируемые

машиностроительные – улучшаемые

рессорно-пружинные

износостойкие (аустенитная)

шарикоподшипниковые

мартенситностареющие высокопрочные стали

Строительные низколегированные стали

Это стали, содержащие не более 0,22%С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Они хорошо свариваются, это значит, что они не образуют при сварке холодных и горячих трещин. По сравнению с углеродистыми они имеют более высокие значения пределов прочности и текучести при сохранении хорошей пластичности, меньшей склонности к старению и хладноломкости.

19Г

Машиностроительные цементируемые легированные стали

Углерода в них содержится 0,1-0,25%

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь 58-62 НRСэ, сердцевина – 20-40НRСэ

111

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Хромистые стали

15Х 20Х - изделия простой формы, небольших размеров – кулачки, втулки,

пальцы, зубчатые колеса

Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность и пластичность стали и увеличивает вязкость сердцевины.

12Х2Н4ВА

18Х2Н4МА -для тяжелонагруженных деталей, зубчатых колес, коленчатых валов, осей и др

Хромомарганцовистые стали

Применяются во многих случаях взамен дорогих хромоникелевых, они менее устойчивы против перегрева и поэтому в них добавляют титан.

18ХГТ

25ХГТ

25ХГМ зубчатые колеса автомобилей (коробки передач), валы

Для увеличения прокаливаемости в них добавляют никель.

Машиностроительные улучшаемые легированные стали

Улучшаемые– это стали используемые после закалки и высокого отпуска С=0,3-0,5%

Температура закалки 820-880°С ВО=550-650°С.

Известные нам углеродистые улучшаемые стали марок 35,40,45 используют для изделий небольших сечений, работающих при невысоких нагрузках.

Хромистые стали

30Х для средненагруженных деталей, валы, оси, рычаги

40Х

112

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

50Х крупные шестерни, валы

σв =950-1000Мпа δ =12%

Хромомарганцовистые стали

30ХГ

40ХГ

30ХГТ

достаточно высокая прочность и прокаливаемость, но пониженная вязкость

Хромо-марганце-кремниевые стали 20ХГС 25ХГС 30ХГМ

хорошая прочность и свариваемость, применяется в виде листов и труб для ответственных сварочных конструкций, например, в самолетостроении

σ в =1650Мпа δ =9%

Хромо-никелевые стали

30ХНА

30ХН3А

Высокая прокаливаемость, вязкость, крупные изделия сложной конфигурации, работающие при вибрационных и динамических нагрузках.

40ХН2МА

30Х2Н2МФА

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин и рессор. Они служат для смягчения ударов, толчков, действующих на конструкцию в процессе работы. Поэтому основные требования к этим сталям заключаются в следующем:

-высокие пределы упругости и выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению

Содержание углерода в них –0,5-0,7%

Термообработка – закалка и средний отпуск

В качестве легирующих элементов в них чаще всего – кремний.

113

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

55С2

60С2А

70С3А

для изготовления пружин вагонов. Многих автомобильных рессор

σв =1800 Мпа σ изг =1600Мпа

60С2ХФА

50ХФА крупные высоконагруженные пружины и рессоры

Дополнительное легирование хромом, марганцем, вольфрамом. никелем увеличивает прокаливаемость кремнистых сталей., уменьшает склонность их к обезуглероживанию, снижающие предел выносливости.

Если пружины и рессоры работают в условиях сильных динамических нагрузок, то применяют стали с никелем- 60С2Н2А

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь – 50ХГА, превосходящую по технологическим свойствам кремнистые стали.

Для клапанных пружин рекомендуют сталь марки 50ХФА, она не склонна к перегреву и обезуглероживании.

Оптимальная твердость рессор для получения максимального предела выносливости 42-48НРСэ

Долговечность пружин и рессор снижается при наличии на поверхности различных дефектов – забоин, рисок, царапин, играющих роль концентраторов напряжений.

114

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Срок службы пружин и рессор может быть повышен гидроабразивной и дробеструйной обработкой (поверхностным наклепом)

Шарикоподшипниковые стали

Кольца, ролики, шарики работают в условиях, которые требуют от стали высокой твердости, износостойкости, сопротивления контактной усталости.

В качестве шарикоподшипниковых сталей наиболее часто применяют высокоуглеродистые хромистые стали, а для больших сечений - хромомарганцовистые стали. прокаливающие на большую глубину.

ШХ6 хрома 0,6%

ШХ9 хрома 0,9%

ШХ15 хрома 1,5%

ШХ15СГ хрома 1,5% углерода 0,9-1,1 %

Термическая обработка шарикоподшипниковых сталей - закалка + низкий отпуск. Закалка от830-860оС в масле , отпуск 150-160 оС в течение 1 ч. Это обеспечивает ей твердость 62НРСэ.

Структура стали должна представлять отпущенный мартенсит, очень мелкоигольчатый с равномерно распределенными в ней карбидами.

115

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

К данным сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, которые являются концентраторами напряжений. Недопустима карбидная неоднородность.

Детали подшипников, работающие в агрессивных средах - морской воде,

116

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 12

«Инструментальные материалы»

Инструментальные материалы подразделяются на:

стали (углеродистые, легированные)

твердые сплавы

сверхтвердые материалы

Наиболее распространенная группа инструментальных материалов – инструментальные стали – предназначены для изготовления инструментов 4- х групп:

режущих

измерительных

штампов холодного и горячего деформирования (служат для деформирования металла в холодном или горячем состоянии)

Основные требования, предъявляемые к инструментальным сталям:

высокая твердость

износостойкость

теплостойкость – способность сохранять высокую твердость при повышенных температурах или красностойкость.

Инструментальные стали подразделяются на следующие группы:

117

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ

Это углеродистые или легированные стали с малым процентом легирующих компонентов.

Марки их мы уже проходили –У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13

Х05, Х06, 65ХФ, 85ХФ

При конструировании инструмента необходимо избегать острых углов, резких переходов.

Все стали данной группы закаливаются в воде

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435).

Содержат 0,65…1,35% углерода.

Стали У7…У13А – обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны.

Из сталей марок У7, У8А изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость – пуансоны, зубила, штампы, молотки.

Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью – используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры, все инструментальные стали до изготовления инструмента подвергают отжигу.

Для заэвтектоидных сталей проводят сфероидизирующий отжиг, в результате которого цементит вторичный приобретает зернистую форму. Регулируя скорость охлаждения можно получить любой размер зерен.

Окончательная термическая обработка – закалка с последующим отпуском.

Закалку для доэвтектоидных сталей проводят полную, а для заэвтектоидных – неполную. Структура закаленных сталей или мартенсит, или мартенсит и карбиды.

118

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это сталь, в отличие от других сталей, обладают высокой красностойкостью, т.е. способностью сохранять мартенситную структуру, а соответственно и твердость при температуре 500-600°С. У ранее рассматриваемых сталей твердость начинает падать при температуре 200о, так как мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь.

Применение быстрорежущих сталей позволяет увеличить в 2-4 раза скорости резания и 10-30 раз увеличивает стойкость инструмента

Основной легирующий элемент, обеспечивающий красностойкость стали

– это вольфрам и его химический аналог – молибден, а также хром, в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Теплостойкость увеличивается в присутствии кобальта и ванадия.

Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному карбидному классу Состав стали Р18: 18 % вольфрама, 4 % хрома, 1 % углерода 1 % ванадия

Структура литой б\р стали – сложная эвтектика – ледебурит, располагающаяся по границам зерен.

В отожженном состоянии - легированный феррит + карбиды.

В деформированном состоянии – эвтектика дробится и равномерно распределяются карбиды.

После отжига (860-880°) – для улучшения обрабатываемости стали – структура – сорбитообразный перлит.

Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и

многократному отпуску.

Температура закалки – 1270-1280°С для стали марки Р18 Температура закалки – 1210-1230°С для стали марки Р6М5

Высокая температура закалки - для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита, легированного хромом, молибденом, вольфрамом и ванадием. при закалке аустенит переходит в мартенсит, охлаждающая среда – масло.

120

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Структура после закалки – высоколегированный мартенсит, нерастворенные карбиды и остаточный аустенит. (25-30% Аост.)

Остаточный аустенит понижает режущие свойства и поэтому присутствие его в режущем инструменте – не допустимо. Поэтому инструмент после закалки подвергают трехкратному отпуску при температуре 560°С. при этом остаточный аустенит переходит в мартенсит и увеличивает твердость стали.

Медленный нагрев – чтобы не было трещин.

Быстрый нагрев – чтобы не было окалины

Высокая температура – чтобы измельчить карбиды

При охлаждении на воздухе – фиксируются аустенитное поле и карбиды

На быстрорежущие стали имеется Гост 19265 –73 – всего предусмотрено 14 марок. Данные стали дефицитны и дороги за счет вольфрама, поэтому разрабатываются безвольфрамовые быстрорежущие стали.

СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Они должны обладать:

высокой твердостью

износостойкостью

121

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сохранять постоянство размеров

Обычно используют высокоуглеродистые хромистые стали

Х, ХВГ,12Х1, ШХ15

Их подвергают закалке в масле с возможно более низкой температуры – 840850° - чтобы не было остаточного аустенита, который при переходе в мартенсит вызывает небольшое изменение объема и линейных размеров.

После закалке ведется отпуск или старение, и дальнейшая обработка холодом

ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Они должны отвечать следующим требованиям:

высокой твердостью

износостойкостью

прочностью в сочетании с вязкостью

теплостойкостью

Это стали следующих марок :

Х12Ф1

Х12М высокохромистые стали ледебуритного класса,

Недостаток - трудность обработки резанием

Лучшие в этом плане –Х6ВФ, 7ХГ2ВМ

ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ГОРЯЧЕМ СОСТОЯНИИ

Требования, предъявляемые данным сталям:

высокие механические свойства при высоких температурах

окалиностойкость и разгаростойкость ( выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарочных трещин)

высокая износостойкость и теплостойкость

хорошую прокаливаемость (штампы имеют большие размеры)

Марки сталей 5ХНМ, 5ХГМ

4Х5В2ФС

3Х2В8Ф

122

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердыми сплавами называют сплавы, изготовленные методами порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металловвольфрама, титана, тантала и сцементированных (связанных) кобальтом.

Инструмент, оснащенный твердым сплавом может работать с более высокими скоростями резания.

Для их изготовления берут порошки карбидов вольфрама, титана, смешивают со связкой – кобальт, прессуют, придавая им заданную форму и спекают при высоких (1500-2000°С). Поэтому названы – металлокерамические.

Твердость их очень велика, они не подвергаются механической обработке, только шлифуют. Из твердого сплава изготавливают пластинки, которые затем крепят на державку инструмента.

При высокой твердости сплав обладает повышенной хрупкостью и при работе с ударами может выкрашиваться.

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

ГОСТ 3882-74 Твердые сплавы 3 групп

ВОЛЬФРАМОВЫЕ –ВК3,ВК6,ВК8, ВК10,ВК20,ВК25

Теплостойкость их 800оС

ТИТАНО-ВОЛЬФРАМОВЫЕ –Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10

Теплостойкость их 900-1000оС

ТИТАНО-ТАНТАЛО-ВОЛЬФРАМОВЫЕ - ТТ7К10, ТТ8К6, ТТ10К8

они отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.

СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К ним относят алмаз, твердость которого в 6 раз выше твердости карбидов вольфрама и в 8 раз выше быстрорежущей стали.

123

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

80 % добываемых природных алмазов и все синтетические алмазы используются в качестве инструментальных материалов.

Основное количество алмазов используется в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента – шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., для обработки особо твердых металлов и горных пород. Большое значение имеют заточные круги для твердосплавного инструмента, это увеличивает производительность труда и срок службы инструмента. Повышение стойкости твердосплавного инструмента обеспечивается высокой чистотой (отсутствие зазубрин, мелких трещин) лезвия инструмента.

Алмазный инструмент изготовляется в виде алмазосодержащих кругов с бакелитовой или металлической связкой.

Также изготавливают алмазные резцы (для обработки корпусов часов), фильеры (для волочения проволоки из высокотвердых и драгоценных металлов) и др.

Алмазным инструментом обрабатывают цветные материалы и их сплавы, пластмассы, керамику.

Преимущества имеют синтетические алмазы они обладают меньшей хрупкостью и стоимостью.

Алмаз теплостоек до 800°С, далее превращается в графит.

Большей универсальностью обладает инструмент из поликристаллического нитрида бора, называемого кубическим нитридом бора. КНБ получают спеканием микропорошков нитрида бора при высоких температурах и давлении. КНБ выпускают под названием

124

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ЭЛЬБОР. По твердости он не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости – 1200°С.

Отсутствие у него химического сродства с железом позволяет его использовать более эффективно при обработке закаленных сталей.

Лекция 13 «Легированные стали с особыми свойствами»

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

СОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальные стали – это высоколегированные (свыше 10%) стали,

обладающие особыми свойствами – коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью и др.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Углеродистые и низколегированные стали подвержены коррозии, т.е. разрушаются от химического воздействия окружающей среды.

Коррозией – называется разрушение металла под действием окружающей среды, в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Ущерб, причиняемый коррозией может быть:

-прямым

-косвенным

Прямой включает в себя стоимость замены подвергшихся коррозии частей машин и др. Если проржавела крыша дома, труба парового отопления, кузов автомобиля, их меняют или ремонтируют.

125

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для восстановления пораженных коррозией машин и конструкций ежегодно расходуется 20-25 млн тонн металла.

Косвенный ущерб от коррозии – это простой оборудования в результате аварий, увеличение расхода топлива, материалов.

По внешнему виду коррозия обычно проявляется в потере металлического блеска и появления на поверхности металла продуктов коррозии - ржавчины бурого цвета, а также резком падении механических свойств.

В зависимости от свойств окружающей среды различают следующие виды коррозии:

химическую – протекающую под действием на металл газов и не электролитов (нефть и нефтепродукты)

электрохимическую –вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К ней также относят атмосферную и почвенную коррозию.

Легированные стали с особыми свойствами

Электрохимическая коррозия может быть нескольких видов:

Если металл однороден (твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одной скоростью по всей поверхности металла.

В неоднородном металле, что является наиболее частым, коррозия носит локальный характер. Эту локальную коррозию подразделяют на:

точечную

пятнистую

с язвами

Эти очаги являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен, она быстро развивается по границам зерен вглубь металла, резко снижая механические свойства. Сталь, пораженная ею теряет металлический звук.

Существует коррозия под напряжением – она возникает под действием одновременно коррозионной среды и напряжений растяжения.

126

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Разновидностью ее является коррозионное растрескивание, образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна при воздействии коррозии и напряжений.

Сталь, устойчивую против электрохимической коррозии, называют КОРРОЗИОННО-СТОЙКИМИ или НЕРЖАВЕЮЩИМИ

Антикоррозионными свойствами сталь обладает в том случае, если она легированна большим количеством хрома или хрома и никеля. Таким образом, коррозионно-стойкие стали можно разделить на 2 основных класса:

Хромистые стали, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную или мартенситную структуру

Хромо-никелевые - имеющие аустенитную, аустенито-мартенситную или аустенито-ферритную структуру.

Хромистые нержавеющие стали

Содержание хрома в них должно быть не менее 12 %. При меньшем его содержании сталь не способна сопротивляться коррозии, т.к. ее электродный потенциал становится отрицательным. Наибольшую коррозионную стойкость сталь достигает после соответствующих термической (закалка + высокий отпуск)и механической (шлифование и полирование) обработок.

Сталь обладает лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную окисную пленку Сr2Oз.

Эти стали должны содержать малый процент углерода, так как увеличение процента углерода приводит к образованию карбидов, уменьшающих количество хрома в твердом растворе и соответственно понижает коррозионную стойкость.

Наиболее распространенные марки нержавеющих хромистых сталей:

12Х13 – сталь мартенситного класса, закалка от 1000-1100о в масле и отпуска (700-750о) и полировки.

Это сталь устойчива в слабоагрессивных средах (вода, пар), применяется для деталей с повышенной пластичностью ( клапаны гидравлических прессов,

127

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

20Х13

30Х13-карбюраторные иглы

40Х13 – сталь также мартенситного класса, применяется после закалки от 1000-1050о и отпуска (180-200о) и шлифования и полирования. Это хирургический инструмент, бытовой режущий инструмент, шарикоподшипники, работающие в агрессивных средах. 52-55НРСэ.

12Х17 – более коррозионно-стойка ( кислоты и др. среды), ферритного класса.

15Х28 применяется для химического и пищевого оборудования. Однако она не пригодна для изготовления сварных конструкций.

При нагреве происходит обеднение периферийной зоны зерен хромом, что приводит к межкристаллитной коррозии. Это наиболее опасный вид коррозионного разрушения по границам аустенитных зерен. Для предотвращения его в сталь вводят титан. Он связывает углерод и исключает образование карбидов хрома.

08Х17Т – для сварных конструкций.

Хромо-никелевые нержавеющие стали

Они содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к аустенитному классу. Кроме аустенита в них находятся карбиды хрома.

12Х18Н9- для получения аустенитной структуры ее закаливают в воде от 1100-1150ос, при этом достигается высокая коррозионная стойкость при сравнительно малой прочности. Для повышения ее сталь подвергают холодной пластической деформации (наклепу) и применяют в виде холоднокатанного листа ленты. 17Х18Н9

Так же как и сталь ферритного класса она вследствие обеднения зерен хромом (выделяются карбиды хрома) склонна к межкристаллитной коррозии. Для ее предотвращения сталь дополнительно легируют титаном или уменьшают процент хрома.

Например, 12Х18Н9Т или 04Х18Н9- для изготовления химической аппаратуры

Большим достоинством хромо-никелевых сталей аустенитного класса является их хорошая технологичность в отношении ОМД и сварки.

128

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

12Х18Н10Т – используется в криогенной технике для транспортировки и хранения жидких газов, резервуаров, топливных баков. Но эти стали очень дороги , поэтому дефицитный никель может быть заменен марганцем : 10Х14Г14Н4Т

08Х22Н6Т

12Х21Н5Т – это стали аустенито-ферритного класса, более прочны, чем аустенитные

09Х15Н8Ю – аустенито-мартенситного класса, высокая коррозионная стойкость + хорошие механические свойства + хорошая свариваемость

Высоколегированные кислотостойкие стали

06ХН28МДЮ – кислотостойкая сталь Для более тяжелых условий применяют сплавы никеля и меди – монель, Никеля и хрома – инконель Никеля и молибдена - хастеллой

ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ

При высоких температурах сплавы вступают во взаимодействие с окружающей газовой средой. Что вызывает газовую коррозию (окисление) и разрушение металла.

Для изготовления конструкций, работающих в условиях повышенных температур (400-900°) применяют специальные жаростойкие стали.

Под жаростойкостью или окалиностойкостью - принято понимать способность материала противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха и др. газов при высоких температурах.

Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования, когда на поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина.

Если окисная пленка пористая – окисление происходит интенсивно

Если – плотная – окисление замедляется или даже совершенно прекращается.

129

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Кроме этого жаропрочность характеризуется пределом длительной

прочности.

Это напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данный интервал времени.

Факторы, способствующие повышению жаростойкости:

Высокая температура плавления основного металла

наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц

пластическая деформация, вызывающая наклеп

высокая температура рекристаллизации

рациональное легирование

термическая обработка и термомеханическая обработка

Жаропрочные стали классифицирую по одному признаку, температуре эксплуатации:

Основой котлостроения являются перлитные жаропрочные стали.

Они применяются при температурах до 580 °C. Технологичны, недороги. Содержат 0,25-0,3 % С и легирующие элементы: хром, молибден, ванадий.

Марки: 12Х1МФ, 25Х2М1Ф.

Из перлитных жаропрочных сталей изготавливают трубы пароперегревателей, паропроводов и других частей теплоэнергетических установок, а также валы и цельнокованые роторы, плоские пружины, крепеж.

Мартенситные жаропрочные стали прочнее и выдерживают температуру до 650 °C. Это так называемые сильхромы (например, 40Х10С2М), легированные хромом и кремнием, а также 11Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ, 18Х12ВМБФР. Последние имеют МПа.

Сильхромы стойки к окислению в парах и топочных газах. Их закаливают

700 °C. Применяют для клапанов ДВС.

Они плохо свариваются и труднее перлитных сталей обрабатываются резанием.

131

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Аустенитные жаропрочные стали работают до 700 °C.

Подразделяются на однофазные (12Х18Н10Т), стали с карбидным

упрочнением и стали с интерметаллидным упрочнением. Стали аустенитного класса подразделяются на :

неупрочняемые (нестареющие)

09Х14Н16Б – закалка с охлаждением на воздухе.

упрочняемые (стареющие), сложнолегированные 40Х15Н7Г7Ф2МС- для лопаток газовых турбин, закалка с 1050-1200 ° с последующим длительным старением 600-800 °

При более высоких температурах применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например,

ХН77ТЮР для лопаток турбин, жаростойкость их до 1200о

Жаропрочных сплавов очень много. Но в основном они секретны.

CТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Магнито-твердые стали и сплавы

К магнитотвердым относят материалы с высокой коэрцетивной силой, мало изменяющейся во времени. Эти материалы служат для изготовления постоянных магнитов.

Для получения высокой коэрцетивной силы более эффективной оказалась не нормальная решетка ОЦК (альфа-железо), а искаженная тетрагональная решетка альфа железа в мартенсите.

Поэтому эти стали закаливают на мартенсит с минимальным количеством остаточного аустенита. Это могут быть высокоуглеродистые и легированные стали с высокодисперсной неравновесной структурой.

Для наиболее слабых магнитов применяют инструментальные стали У10У12, они прокаливаются на небольшую глубину и применяются для изготовления магнитов с размерами сечения 4-7 мм.

Для изготовления наиболее сильных магнитов используют хромистые стали с 1% хрома и 3% хрома.

132

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ЕХ

ЕХ3

ЕХ5К5 - кобальта 5%, хрома 5%. имеет более высокие магнитные свойства

Магнитные сплавы имеют очень высокую твердость, но хрупки, поэтому обрабатываются только шлифованием. Магниты из этих сплавов изготавливают либо литьем, либо спеканием из порошков.

В последнее время широко распространены железо-никель-алюминиевые сплавы для постоянных магнитов 11-14%алюминия, 22-34% никеля, с добавками меди, кремния, кобальта. По магнитной мощности они превосходят стальные.

Ални- железо-алюминий и никель

Алниси-+ кремний

Алнико + кобальт и медь

Викаллой - 52% кобальта, 14% ванадия остальное - железо

Магнитомягкие стали и сплавы

Они должны отличаться очень малой коэрцетивной силой, что необходимо для уменьшения потерь энергии при их перемагничивании.

Для получения магнитной мягкости необходимо:

максимальное приближение к равновесному состоянию

максимально крупное зерно

исключить источники, вызывающие искажение решетки и дробление

блоков Таким образом, наиболее подходящими являются чистые металлы, в первую

очередь железо - феррит - техническое железо. Это могут быть и сплавы на основе никеля и кобальта, железо-никелевые сплавы - пермаллои.

Электротехническое железо (Армко-железо)

Марки его Э, ЭА,ЭАА Содержит не более 0,04%С, зерно по возможности крупное, специальный отжиг.

Кремнистые стали - электротехнические стали

Э11, Э12

133

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Э21,Э22 - динамные стали, для изготовления деталей динамомашин, генераторов тока

Э31,Э32

Э41,Э42 - трансформаторные стали- для изготовления сердечников трансформаторов 1-я цифра - % кремния

2-я цифра - гарантированные электрические и магнитные свойства Эти стали изготавливаются в виде листов Железо-никелевые сплавы -пермаллои- содержат 45-80% никеля ,

дополнительно хром, кремний, молибден. Их применяют в аппаратуре связи.

Немагнитные стали

Относятся к высоколегированным сталям аустенитного класса, т.к. только решетка гамма железа не магнитна.

Эти стали применяются в электрических машинах взамен менее прочных и дорогих цветных металлов.

Наиболее распространенные марки:

ЭИ269 - углерода 0,5-0,6%, марганца - 4-5,5%, никеля 20%

55Г9Н9Х3

45Г17Ю3

Сплавы высокого электросопротивления

Они делятся на следующие группы:

сплавы для реостатов

сплавы для нагревательных элементов

Они должны отличаться высоким электросопротивлением (низкой электропроводностью). Поэтому они представляют собой сплавы - твердые растворы, а не чистые металлы.

Наиболее распространенные сплавы для реостатов:

Манганин - МНМц3 - 3%никеля, 12%марганца остальное медь

Константан - МНМц40-1,5 - 40% никеля 1.5% марганца остальное медь

Копель - МНМц43-0,5 - 435никеля, 0,5% марганца, остальное медь

Сплавы для нагревательных элементов, поскольку они работают при очень высоких температурах в окислительной среде. должны быть одновременно и окалиностойкими, т.е. не окисляться и не прогорать.

В их составе всегда присутствует хром и алюминий.

134

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Наиболее употребительные сплавы этой группы:

Фехраль (Х13Ю4) -углерода менее0,15% предельная рабочая температура 1000°

Лекция 14

«Медь и ее сплавы»

Медь чаще других металлов встречается в виде самородков, иногда достигающих весьма больших размеров. Естественно это один из первых металлов, с которым познакомился человек.

Значение меди и ее сплавов в деятельности человека было столь велико, что это нашло отражение в названии целых эпох в развитии человечества (медный век, бронзовый).

Медь и ее сплавы, обладающие ценными техническими свойствами, широко применяются и в наше время.

По электропроводности Си занимает 2 место после серебра и поэтому является одним из важнейших материалов для проводников

По теплопроводности Си также уступает только серебру и ее широко используют в теплообменниках.

Сплавы меди отличаются достаточной коррозионной стойкостью, высокими технологическими свойствами, имеют приятный цвет и полируются до сильного блеска.

Медь и ее сплавы хорошо обрабатывается давлением , из них производят все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением: плиты, листы, ленту, фольгу, поковки, штамповки, трубы, профили, проволоку.

Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, легко поддаются пайке.

135

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При ее обработке резанием особых затруднений не возникает.

К недостаткам меди можно отнести ее высокую плотность, склонность к окислению при повышенной температуре, ее высокую стоимость и дефицитность.

Меди в земной коре сравнительно немного (0,01%), но известны богатые ее месторождения

Свойства меди

Тпл.=1083°

Тип решетки -ГЦК

плотность -8,95 г/смз

Т кипения 2360°

Чистейшая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью.

Техническая медь имеет следующие марки:

Области применения меди

Они очень разнообразны: Сu широко используется в электротехнике: это провода высоковольтных линий электропередач, воздушных линий связи, троллейбусные провода, коллекторные шины для электромашин, токопроводящие шины.

Это всевозможные теплообменники, водоохлаждаемые поддоны, кристаллизаторы, обеспечивающие интенсивный отвод тепла от расплава.

136

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Влияние примесей на свойства меди

Присутствующие в меди примеси существенно влияют на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на следующие группы:

Примеси, образующие с медью твердые растворы. Это никель, цинк,

сурьма, олово, алюминий, фосфор и др. Они улучшают механические свойства, но резко снижают (особенно сурьма и фосфор) электро и теплопроводность.

Примеси практически не растворимые в меди: это свинец, висмут, и

др. и образующие легкоплавкие эвтектики. Они располагаются по границам зерен и затрудняют обработку давлением. На электропроводность они не оказывают большого влияния, а влияют на механические и технологические свойства. (Висмут - хладноломкость, свинец-горячеломкость)

Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения - это

кислород, сера, располагающиеся по границам зерен (Си2О, Си2S)

На электропроводность они не влияют. Сера улучшает обрабатываемость резанием.

Кислород образует с медью оксид меди и вызывает так называемую "водородную болезнь" - так как при нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, он реагирует с Си2О по реакции, протекающей с увеличением объема. Это создает в металле большое давление и вызывает появлением микротрещин.

Сплавы меди

Различают две основные группы медных сплавов: ЛАТУНИ - сплавы меди и цинка и БРОНЗЫ - сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими может быть и цинк.

Сплавы меди маркируются следующим образом: Латуни - буквой Л и цифра, указывающая содержанием в ней меди. Например, Л96, Л80, Л59, остальное - цинк.

Бронзы - Брбронзы, а далее элемент: олово - 0, свинец -С, алюминий -А,

бериллий -Б, марганец -Мц, кремний -К, железо - Ж, никель -Н, фосфор - Ф, а далее цифра, показывающая процент этого элемента.

Например, БрА9, БрО10, ЛАН 59-1-1, ЛС60-3

137

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ЛАТУНИ

Механическая прочность латуней выше, чем у меди, они хорошо обрабатываются резанием, большое их преимущество - пониженная стоимость, т.к. цинк дешевле меди.

Латуни лучше, чем медь обрабатываются давлением и литьем.

Al Ni Fe вводят в латунь для улучшения ее механических свойств Sn Mn вводят в латунь для повышения коррозионной стойкости Pb - для улучшения обработки резанием

По технологическому признаку латуни могут быть:

-литейные ( для фасонных отливок, их поставляют в виде чушек) -деформированные ( их поставляют в виде прутков, проволоки, труб, листов )

Как видно из диаграммы состояния различают однофазные альфа-латуни, содержащие до 39% цинка (вердый раствор цинка в меди). В сплавах, содержащих от 39 до 50% цинка образуется бэтта фаза (твердый раствор цинка в электронном соединении СиZn)

Латуни, содержащие более 45% - не применяются.

2-х фазные латуни имеют более высокую прочность и износостойкость, чем однофазные альфа-латуни.

Альфа-латуни- Л96 -томпак, Л80 (полутомпак) и Л70

138

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Двух-фазные латуни -Л62, Л59 имеют σ=360-390 Мпа δ =44-49% они малопластичны, их подвергают ГОД Латуни упрочняются в процессе деформирования.

Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг при температуре 500-700°С Латуни плохо обрабатываются резанием, для улучшения их

обрабатываемости в них добавляют свинец, их называют автоматными латунями.(ЛС59-1)

Олово улучшает коррозионную стойкость латуней. (ЛО60-2) - морская

латунь

ЛМцС58-2-2 - антифрикционные детали, втулки ЛМцЖ55-3-1 - гребные винты

Бронзы

Из бронз еще в древности делали оружие, орудия труда, предметы обихода. Бронза более прочна и коррозионностойка, чем медь. Благодаря отличным литейным свойствам из нее стали отливать пушки, колокола и статуи.

Современные оловянные бронзы значительно тверже меди, они хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резанием, отличаются высокой коррозионной стойкостью. Бронзу используют при изготовлении арматуры газовых и водопроводных линий в химическом машиностроении и др. отраслях Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их

незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников скольжения, червячных колес, шестерен ответственных деталей машин и приборов.

Оловянные бронзы

Это сплавы меди и олова, содержащие олова до 12 %.

Как видно из диаграммы состояния медь-олово, олово растворимо в меди до 12%, далее возникают механические смеси, химические соединения и свойства бронз резко ухудшаются.

139

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В реальных условиях охлаждения структура бронзы состоит из альфатвердого раствора и дельта-фазы (близкой к химическому соединению). Оловянные бронзы склонны к ликвации, они имеют резко выраженное дендритное строение Сплавы более богатые оловом (более 12%) очень хрупки.

Маркируют бронзы буквами Бр и цифрой, показывающей процент олова. Например, БрО10, БрО6 Бронза марки Бр010 имеет в = 200Мпа =10%

Обработке давлением можно подвергать бронзы, содержащие не более 5-6 % олова. Они проходят рекристаллизационный отжиг (600-650оС) для придания готовым полуфабрикатам (листам, лентам) требуемых свойств.

Оловянные бронзы дороги. Для их удешевления в них добавляют свинец, цинк (свинец улучшает обрабатываемость), можно добавлять до 1 % фосфора, он повышает механические и антифрикционные свойства.

Оловянные бронзы имеют прекрасные литейные свойства, очень жидкотекучи - это прекрасный литейный материал. Из нее изготавливают всевозможные вентили и др. детали. Она хорошо сопротивляется коррозии. Но имеет два но!!!

Если ее медленно охлаждать, то растворимость ее пойдет по пунктиру, т.е.

твердый раствор будет распадаться с выделением химического

140

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

соединения. Поэтому бронзы нужно отливать в кокиль или применять центробежное литье.

Олово - это дорогостоящий материал и дефицитный.

Бр03Ц7С5Н3- втулки, подшипники, арматура в морской воде

Бр04Ц3- токоведущие контакты, пружины

Алюминиевые бронзы

Содержат до 10% алюминия, представляют собой - твердый раствор алюминия в меди и являются однофазными структурами.

алюминиевые бронзы, содержащие до 6-8% алюминия обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии

Бронзы, содержащие 8-10 % алюминия обрабатываются давлением только при высоких температурах, они обладают лучшими литейными свойствами и их применяют для фасонного литья.

Они устойчивы против коррозии.

БрА5 -мелкая разменная монета

Данные бронзы обладают высокими механическими свойствами. повышенной жаропрочностью и антикоррозионной стойкостью. По сопротивлению коррозии они в 12 раз устойчивее оловянных бронз. в 2-3 раза - нержавеющих сталей

БрАЖМц10-3-1.5 -детали химической аппаратуры

Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам. они являются более дешевыми. устойчивы против коррозии.

обладают высокой пластичностью. Содержание кремния в них до 3 %.

БрК3Мц1 -ленты. проволока, пружины. сварные резервуары в пищевой промышленности

141

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Бериллиевые бронзы

Они содержат 2-2.5 % бериллия. Из всех известных бронз они обладают наилучшим комплексом свойств. Хорошо свариваются, обрабатываются давлением. в них удачно сочетаются - электропроводность, коррозионная стойкость, упругость, прочность.

Из нее изготавливают особо ответственные детали - сильфоны, мембраны, пружины, пружинистые контакты (при работе не дают искр), детали электронной техники

Бериллиевые бронзы подвергают термической обработке - закалке и старению. В результате термообработке значительно улучшаются механические свойства.

При закалке фиксируется пересыщенный альфа раствор. При старении (отпуске) упрочняющие частицы.

БрБ2

БрБ1,5

Свинцовые бронзы

Содержат до 30 % свинца. Свинец и медь не растворимы друг в друге, поэтому структура - твердая медь и мягкий свинецобеспечивают хорошие антифрикционные свойства применяются для изготовления вкладышей подшипников

142

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 15

«Материалы с малой плотностью (легкие материалы)»

Материалы с малой плотностью

Это материалы, широко применяемые в авиации, ракетной и космической технике, автомобиле - и судостроении. строительстве и др. отраслях. Применение легких материалов дает возможность:

снизить массу конструкции

увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета

повысить скорость движения автомобилей, судов. ж/д транспорта

К основным конструкционным легким материалам относят алюминий, титан, магний. бериллий и сплавы на их основе, а также пластмассы.

143

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкции при одновременном повышении их прочности и жесткости.

Основным критерием при выборе материала в этом случае является удельная прочность и удельная жесткость.

Наибольшей удельной прочностью и жесткостью обладают сплавы титана, бериллия, композиционные материалы - из них изготавливают высоконагруженные детали.

Сплавы на основе алюминия, магния и пластмассы идут для изготовления мало - и средненагруженных деталей.

Алюминий и его сплавы

Алюминий второй, самый распространенный после железа металл в современной технике.

плотность его 2,7 г/см 3 ( в три раза легче железа)

температура плавления - 660°решетка его - гранецентрированный куб

Алюминий обладает высокой электропроводностью (57% от электропроводности меди)

Алюминий обладает хорошей теплопроводностью и теплоемкостью.

Алюминий и его сплавы

Алюминий быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси – Аl2О3, которая в отличие от окиси железа не пропускает

кислород в толщу металла, что обеспечивает его защиту от коррозии. Механические свойства алюминия сравнительно невысокие

144

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

обрабатывается резанием.

Первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) делят на 3 группы

1. Алюминий особой чистоты А999 (А = 99,999%)

2. Алюминий высокой частоты (4 марки -А995,А99,А97,А95)

3. Алюминий технической частоты (А85,А8,А7,А6,А5А0, соответственно алюминия 99,85,99,8,99,7,99,6,99,5 и 99,0%)

ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

В виду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так из него изготавливают рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др.

Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообменников в промышленных и тепловых холодильниках.

Высокая электропроводность алюминия способствует его широкому применению для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и др.

Алюминий имеет высокую отражательную способность, поэтому его используют для прожекторов, рефлекторов, экранов телевизоров.

Алюминий применяют в металлургии, где используется его большое сродство к кислороду, для получения в чистом виде дорогих и редких металлов - хрома, ванадия и др.

Низкие сорта алюминия используются для раскисления стали.

Соединения алюминия безвредны для человека, поэтому он широко используется в пищевой промышленности - обертки конфет. сыра и др. продуктов, для аппаратуры молочных и пивоваренных предприятий.

145

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния: а - двойная система, 1 - сплавы, не упрочняемые термической обработкой, 2 - сплавы, упрочняемые термической обработкой.

В качестве конструкционных материалов алюминий широко применяется в виде сплавов с такими металлами и неметаллами как медь, марганец, магний, кремний, железо. никель титан и др.

Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики легирующих добавок.

Так, Fе Ni Ti - повышают жаропрочность алюминиевых сплавов

Cu Mn Mg - обеспечивают упрочняющую термообработку

В результате легирования и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (с 100 до 500 Мпа ) и твердость (НВ с 20 до 150)

По технологическому признаку алюминиевые сплавы делятся на три группы:

деформированные

литейные

получаемые методом порошковой металлургии (САП-спеченные алюминиевые порошки и САСспеченные алюминиевые сплавы)

146

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В свою очередь деформированные алюминиевые сплавы делятся на :

-упрочняемые термообработкой

неупрочняемые термообработкой

Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы.

Термическая обработка - закалка на пересыщенный твердый раствор + естественное или искусственное старение

Деформированные алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей. проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой.

Деформированные алюминиевые сплавы. не упрочняемые термической обработкой

К ним относят сплавы Амц и Амг - сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием ( магния до 6 %)

Они характеризуются невысокой прочностью, но хорошей до 40% пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью.

Сплавы типа Амц и Амг применяют для изделий получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость - трубопроводы для бензина и масла. сварные баки. а также заклепки, переборки корпусов и мачт судов, лифты, узлы подъемных кранов, рамы вагонов. кузова автомобилей. и др.

Амц - 1-1,6 % марганца

Амг2 - 2 % магния 0,2-0,6 марганца

Амг5 - 5 % магния 0,3-0,8 марганца

147

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это однофазные структуры - твердые растворы Упрочнение их возможно только путем холодной деформации.

Деформированные сплавы, упрочняемые термической обработкой

К данной группе относят следующие виды сплавов:

-дуралюмины

-авиали

-высокопрочные алюминиевые сплавы

-ковочные алюминиевые сплавы

-жаропрочные алюминиевые сплавы

Они имеют в своем составе по 3-4 и более компонентов, но всегда содержат медь.

ДУРАЛЮМИНЫ Дуралюмины - это сплавы алюминия на основе меди и магния, в которые для повышения коррозионной стойкости вводят марганец.

Марки дуралюминов Д16, Д18,Д1 -цифра условный номер сплава по

магния - 0,4-0,8 %

марганца - 0,4-0,8 % Д16: меди- 3,8-4,9 %

марганца 0,3-0,9 %

Железовредная примесь для дуралюминов

Железо снижает эффект упрочнения при закалке

Способность их упрочняться можно показать на диаграмме состояния алюминиймедь

Медь образует с алюминием твердый раствор переменной растворимости.

Если двухфазный сплав нагреть до 500-540 о, то частицы СиА

растворяются в алюминии и сплав приобретает однофазную структуру твердого раствора. Быстрое охлаждение его (закалка) не дает

148

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

возможность выделится фазе СuАl2 из твердого раствора, что позволяет получить упрочнение сплава.

Состояние пересыщенного твердого раствора неустойчиво и в нем самопроизвольно начинается выделение избыточной меди. В результате продолжительного выдерживания при комнатной температуре спустя 4-5 суток прочность сплава увеличивается до 400Мпа, одновременно уменьшается пластичность -- это называется естественное старение.

Рентгеноструктурный анализ показал, что упрочнение является следствием изменений в тонком кристаллическом строении. Сразу после закалки начинается диффузия атомов меди к некоторым участкам. Эти скопления меди образуются в местах скопления дислокаций. Впервые эти образования обнаружили одновременно француз Гинье и англичанин Престон, в честь их эти зоны назвали зонами Гинье-Престона.

при нагревании до 150-200° диффузия атомов идет активнее, поэтому процесс идет за несколько часов. Это будет искусственное старение.

Обязательным компонентом дуралюминов является марганец. повышающий коррозионную стойкость сплава.

температурный интервал закалочных температур очень мал

149

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

После термообработки свойства мало изменяются, но после старения они увеличиваются: σ =420-470Мпа δ = 15-17%

Применение дуралюминов

детали машин, конструкции в виде листов, лент, прутков, профилей. Дуралюмины широко применяются в авиации

Д1лопасти воздушных винтов

Д18 - шпангоуты, нервюры, тяги управления

Их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей

Д18 - один из основных заклепочных сплавов

Дуралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их плакируют чистым алюминием.

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии, хуже - в отожженном состоянии

Свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением, вследствие склонности к образованию трещин.

Сплавы авиали (АВ)

Они уступают дуралюминам в прочности, но более пластичны как в горячем, так и в холодном состоянии. Из них изготавливают листы, трубы, используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузкикованные детали двигателей, рамы, двери. Их используют для легких конструкций, требующих гибки и других деформаций при монтаже.

σ= 260Мпа δ =15%

Авиали закаливают с 515 -525оС с охлаждением в воде и подвергают естественному старению.

Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки (АК)

150

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По составу они близки к дуралюминам, но содержат больший процент кремния.

Данные сплавы отличаются высокой пластичностью, удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

АК6 - это детали сложной формы и средней прочности - подмоторные рамы, фитинги, крепежные детали

АК8 - тяжелонагруженные штампованные деталиподмоторные рамы, стыковые узлы, лопасти винтов вертолетов

Ковку и штамповку проводят при температуре 450-470о

Закаливают при 520о с охлаждением в воде и проводят старение.

Алюминий и его сплавы

Си=1,4-2% Мg=1,8-2,8% Мп=0,2-0,6% Zn=5-7% 0,1%Cr

Применяется для высоконагруженных конструкций, работающих в условиях напряжения сжатия - обшивки и лонжероны самолетов

В95, В96

Они еще менее коррозионно-устойчивые, чем дуралюмины. Их закаливают от 460-470о в воде и искусственно состаривают.

ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Они содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформированные алюминиевые сплавы. но в значительно большем количестве ( до 9-11% по отдельным компонентам).

Они предназначены для изготовления фасонных отливок. Литье алюминиевых сплавов производят в земляные формы или в кокиль, литьем под давлением. Разливку ведут при температуре 6800760о

Маркируют их буквами АЛ и цифра - условный номер сплава.

Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов в зависимости от химического состава. например, алюминий-кремний, алюминий-магний

151

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Сплавы на основе алюминия и кремния называются - силумины

Для улучшения механических свойств, силумины, содержащие более 50 кремния модифицируют натрием. при этом измельчается структура силуминов и сплав становится более пластичным.

Силумины тщательно контролируют с целью обнаружения различных дефектов - газовые раковины, поры, трещины, рыхлоты.

АЛ17 - цинковый силумин. содержит кроме кремния еще и цинк

Титан и его сплавы

"Металлом века" заслуженно называют сегодня титан, этот металл, обнаруженный в 1790 году, долгие годы оставался загадкой, промышленное производство которого начато после ВОВ, титан известен сегодня каждому.

монумент в честь покорителей космоса. Что же представляет собой этот металл?

152

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Титан-металл серебристо белого цвета. плотность его 4.5г/смз

Он вдвое легче, но и вдвое прочнее железа, в 6 раз прочнее алюминия

В земной коре его много -0,63%.

Лишь три технически важных металла – алюминий, железо и магний распространены больше, чем титан. количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы ( меди, цинка, свинца, серебра, золота, платины, хрома, вольфрама, молибдена, никеля , олова, сурьмы) вместе взятых.

Коррозионную прочность титана можно сравнить только с серебром и

золотом. На пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. На его поверхности легко образуется окисная пленка - поэтому высокая коррозионная стойкость.

Ему нипочем океанские глубины, межпланетный вакуум, сверхнизкие температуры космического пространства, жар аэродинамического нагрева.

Титан можно обрабатывать давлением и резанием, сваривать в среде аргона. изготавливать детали литьем, обработка резанием его затруднена.

Титан имеет очень высокую удельную прочность.

Широкое применение титана сдерживается его высокой стоимостью, которая обусловлена сложностью извлечения его из руд.

В отличие от многих металлов титан

обладает значительным электросопротивлением. если электропроводность серебра принять за 100%. меди 94%, алюминия 60%, железо 15%, титана -3,8%. Это свойство очень важно для радиоэлектроники и электротехники.

Поставляется титан в виде листов, труб, прутков, поковок, штамповок.

153

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Технический титан изготавливается 3-х марок:

ВТ1-00 ( 99,53% Т )

ВТ1-0 ( 99,48% Т )

ВТ1-1 ( 99,44% Т )

Вредными примесями для титана являются : азот, углерод, кислород и водород, они снижают пластичность и свариваемость, повышают твердость, ухудшают сопротивление коррозии.

Чем больше примесей, тем больше прочность и меньше пластичность титана.

Сплавы на основе титана

Для получения сплавов титан легируют алюминием, молибденом, ванадием, марганцем, хромом, железом, ниобием и др.

Удельная прочность титановых сплавов выше, чем у легированных сталей.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуры полиморфного превращения титана.

Все промышленные сплавы титана содержат алюминий.

Титан и его сплавыВ соответствии со структурой различают следующие сплавы титана:

Термическая обработка титановых сплавов

Титановые сплавы в зависимости от состава и назначения можно подвергать:

154

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-отжигу

-закалке и старению

-химико-термической обработке

Титан и альфа сплавы титана не подвергаются упрочняющей термообработке, их подвергают рекристаллизационному отжигу от температуры 650 -850°, это обеспечивает повышение пластичности.

альфа +бетта сплавы титана могут быть упрочнены закалкой с последующим старением. при быстром охлаждении протекает сдвиговое мартенситное превращение. мартенсит здесьпересыщенный твердый раствор легирующего элемента в альфа-титане. Температура закалки 750950 °

Для увеличения износостойкости сплавы титана азотируют.

Применение титановых сплавов

Титановые сплавы как высокопрочные конструкционные материалы широко применяют с следующих областях:

Авиации и ракетостроении - это корпуса двигателей, обшивки самолетов, баллоны для газов, сопла, диски и лопатки турбин, детали крепежа фюзеляжа. В самолете ТУ 154 несколько тысяч важнейших деталей сделано из сплавов титана

Морское и речное судостроение - гребные винты, обшивки подводных лодок. судов, торпед

Химической промышленности - оборудование для таких сред как хлор, кислоты, вентили для агрессивных жидкостей и т.п.

Криогенной технике

Сплавы титана обладают эффектом памяти - нитинол - сплавы титана с никелем. Изделие можно изогнуть. скрутить, а потом выпрямить. При нагреве оно воспроизведет свою форму.

Несмотря на то, что сплавы дороги, применение их в промышленности экономически выгодно, так. корпус химического реактора из нержавеющей стали служит 6 месяцев, а из сплавов титана - 10 лет

змеевик медный оцинкованный служит 10 месяцев, а титановый - 10 лет

Применяют и биметаллы стальтитан

155

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Магний и его сплавы

Магний также, как и алюминий и титан относится к материалам с малой плотностью.

Магний - металл серебристо-белого цвета, (под действием окисления поверхность магния тускнеет и становится матовой) не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в плотноупакованную гексагональную решетку.

Плотность магния - 1,7 г/смз

Магний в 1,5 раза легче алюминия, в 4,5 раза - железа, в 5 раз легче.

Температура плавления магния - 651 °С

Магний обладает способностью легко воспламеняться. Вспыхивая, магний ярким светом, выделяя большое количество тепла. Поэтому

магний находит широкое применение в пиротехнике, в военном деле при производстве сигнальных ракет, зажигательных бомб.

Магний нельзя гасить водой, т.к. будет взрыв.

Легкая воспламеняемость магния способствовала тому, что многие считают, что изделия из магния опасны в пожарном отношении. Это не так.

Магниевая пыль, стружка, порошок - они действительно опасны, а изделия, слитки - не опасны. чем больше масса, тем тепло быстрее растекается по всей массе материала. Магний имеет очень хорошую теплопроводность.

Магний плохо сопротивляется коррозии - деталь толщиной 3 см будет полностью "съедена" морем за 3 месяца. Поэтому магний и его сплавы нужно защищать от коррозии.

Технический магний выпускается 3-х марок:

МГ90 ( 99,9% магния)

МГ95 (99,95 %)

МГ96 (99,96%)

156

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Магний может быть использован в химической промышленности, в металлургии как раскислитель, легирующий элемент и т.п.

Как конструкционный материал чистый магний не применяется, а для этой цели используются сплавы магния

Сплавы магния

Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность. = 250-400 Мпа. По степени прочности на единицу своего веса они превосходят легированные стали и композиции на основе алюминия, уступая в этом лишь титановым сплавам

Поэтому сплавы магния употребляются для изготовления наиболее металлоемких деталей двигателя, корпуса компрессоров, коробок скоростей, корпуса приборов. В самолетах типа Ту154 насчитывается более 2-х тонн деталей из магниевых сплавов.

Магниевые сплавы очень хорошо поглощают вибрацию

Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз выше, чем у лучших алюминиевых сплавов, в 20 раз лучше, чем у алюминиевых сплавов

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием

Они обладают высокой хладностойкостью. От внезапного похолодания внезапно разрушаются многие конструкциимосты. магистральные трубопроводы. суда. при морозе сталь делается хрупкой, хладноломкой.

Основным легирующим элементом в магниевых сплавах является алюминий ( до 10%) затем цинк (5-6%), марганец (до 2,5%)

Магний и его сплавы По технологическому признаку сплавы магния можно разделить на 2 группы:

-литейные -МЛ

-деформированные -МД

Литейные магниевые сплавы - МЛ5,МЛ6,МЛ10 , в их составе магний, алюминий, цинк.

Высокие литейные свойства, применяют для нагруженных крупногабаритных изделий, корпуса, конструкции в автомобилях - особенно гоночных. приборостроении.

Деформируемые магниевые сплавы МА1, МА2 -изготавливаются в виде горячекатанных листов, прутков, профилей, поковок, штамповок.

Сплавы, имеющие гексагональную решетку низкопластичны, поэтому ОМД ведут при повышенных температурах.

157

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Химический состав их близок к литейным. МА1 имеет σв =210Мпа

Лекция 16

«НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

Древние философы разделили весь мир на три царства: минеральное, растительное и животное. Но человек создал еще и четвертое - царство искусственных материалов и, пожалуй, самым удивительным изобретением человека стали пластмассы.

Представьте, что из окружающего нас мира исчезли бы пластмассы.

Тогда не стало бы не только привычных вещей в нашем доме, но и космических полетов, сверхзвуковых самолетов, глубоководных батискафов, современных телевизоров, всякого рода бытовых мелочей - полиэтиленовых мешочков, крышей - всего не перечислишь. Просто говоря, без пластмасс техника и наш быт вернулись бы в начало двадцатого века.

О значении пластмасс в развитии материального производства красноречиво говорит тот факт, что уже в 60-е годы мировой объем производства пластмасс значительно превысил выпуск цветных металлов.

Сейчас пластмассы не просто с успехом заменяют многие металлы, но и сами стали незаменимыми материалами во многих самых различных отраслях техники, пищевой промышленности, строительстве. сельском хозяйстве и т.п.

Обладая целым рядом ценных свойств. пластмассы играют важную роль в деле снижения веса машин и улучшения их качественных показателей.

158

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Применение пластмасс как конструкционных материалов экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемкая, число операций в несколько раз меньше, а отходов получается немного. пластмассовые детали как правило не нуждаются в отделочных операциях.

Итак, перечислим основные достоинства пластмасс:

малая плотность (в большинстве 1 - 1,5 г/смз у пенопластов - 0,015)

высокая устойчивость к атмосферным воздействиям и агрессивным средам - высокая коррозионная стойкость

хорошие диэлектрические и электро и теплоизоляционные свойства, свето и - радиопрозрачность

высокая морозостойкость

в большинстве низкий коэффициент трения

декоративность

простота изготовления сложных и сложноармированных изделий ( обычно литьем под давлением или прессованием с минимальной последующей обработкой.

Преимущества пластмасс обеспечили им применение в машиностроении и это не смотря на некоторые их недостатки:

низкая теплостойкость (порядка 100°С)

малая жесткость

низкая механическая прочность, хрупкость

склонность к старению

небольшая по сравнению с металлами вязкость

ПЛАСТМАССАМИ - называются искусственно изготавливаемые материалы, состоящие в основном или полностью из высокомолекулярных соединений (полимеров) и обладающие при определенных условиях (температура, давление) пластичностью, что дает возможность формировать из них изделия.

В состав пластмасс входят:

159

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Связующие вещества (полимеры)

наполнители

пластификаторы

красители

специальные добавки

Рассмотрим основные составляющие пластмасс.

Итак, пластмассы изготавливаются на основе полимеров - это основная составляющая пластмасс (иногда составляет 100%)

Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов-звеньев.

Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолекулярного вещества - мономера

При получении полимера молекулы мономеров объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентными связями.

Полимеры встречаются в природе - это натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делятся:

Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные цепочки, они обеспечивают эластичность материала, они являются наиболее подходящими для получения волокон и пленок.

Разветвленные макромолекулы полимера, отличаются наличием боковых ответвлений

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяются на две группы:

термопластичные

термореактивные

160

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются. даже плавятся, при охлаждении - затвердевают: этот процесс обратим., т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает.

Термореактивные полимеры на первой стадии при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают и в дальнейшем остаются твердыми. примером их могут служить эпоксидные и др. смолы.

Основные составляющие пластмасс

Основным компонентом пластмасс является связующее вещество или полимер, о нем мы уже говорили. простые пластмассы - это полимеры без добавок, сложные - это смеси полимеров с различными добавками - наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами и др.

Наполнители - добавляют в количестве 40-70% по массе для повышения механических пластмасс. снижения стоимости и др.

Это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, тальк, графит), волокон - (хлопчатобумажных, стеклянных, асбестовых), листов ( бумага, ткани, древесный шпон). наполнителями могут служить различные газы.

Наполнители усиливают механическую прочность, так введение в

термопласты коротких стекловолокон в количестве 20-30% по массе позволяет значительно повысить прочностные свойства материалов, их жесткость. Стеклопластики по твердости почти не уступают стали, но примерно в 4 раза легче ее. О прочности их говорит тот факт, что из них делают пуленепроницаемые защитные жилеты.

Особое значение наполнители играют в снижении горючести пластмасс. Общеизвестно пожароопасность пластмасс, поэтому без специальных наполнителей, повышающих теплостойкость пластмасс никак не обойтись. К ним относятся: асбест, гидроокись алюминия и др.

С помощью наполнителей можно регулировать плотность пластмасс - это делается с помощью газонаполнения.

Стабилизаторы - различные органические вещества,, которые вводят для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. добавки стабилизаторов замедляют старение пластмассы.

161

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Пластификаторы - вещества. вводимые для придания пластичности пластмассам, их добавляют в количестве 10-20% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости. пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. В качестве пластификаторов могут быть эфир, олеиновая кислота, стеарин и др.

Специальные добавки - смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов, защиты от плесени и др.

СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПЛАСТМАСС