О.М.Мінков
КУРС
лекцій з дисципліни
“ ТЕХНОЛОГІЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ
МАТЕРІАЛІВ І МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО »
Частина 2
Матеріалознавство
Міністерство освіти і науки України
Донбаська державна машинобудівна академія
О.М.Мінков
КУРС
лекцій з дисципліни
“ ТЕХНОЛОГІЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ
І МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО»
для студентів механічних спеціальностей
Частина 2
Матеріалознавство
Затверджено
на засіданні вченої ради
Протокол № від 2008
Краматорськ 2008
УДК 620.2
ББК 30.3
М61
Рецензенти:
Вейнов Андрій Маркович, д-р техн.наук, начальник лабораторії прокатних валків і енергетичного устаткування ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод»
Шейко Володимир Семенович, канд.техн.наук, заст. головного металурга ВАТ «Старокраматорський машинобудівний завод»
Мінков О.М.
М61 Курс лекцій з дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Ч.2. «Матеріалознавство» для студентів механічних спеціальностей. – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 130 с.
ISBN
Уведено поняття конструкційної міцності матеріалів і встановлені чинники, які її визначають. Розглянуті шляхи підвищення конструкційної міцності. Висловлені теоретичні аспекти термічної обробки і принципи вибору її технології. Особлива увага надана властивостям і застосуванню конструкційних, інструментальних і спеціальних сталей, а також сплавів на основі кольорових металів.
УДК 620.2
ББК 30 3
ISВN
© О.М.Мінков, 2008
©ДДМА, 2008
ЗМІСТ
Вступ |
|
|
1 Конструкційна міцність і шляхи її підвищення …………………...... 1.1Загальні положення............................................................................. 1.2 Конструкційна міцність матеріалів…………………………........... 1.2.1Загальні положення.……………………………………………. 1.2.2 Механічні властивості і способи їх визначення ……….......... 1.2.2.1 Випробування на розтягування ……………………….... 1.2.2.2 Випробування на твердість …………………………...... 1.2.2.3 Випробування на ударну в'язкість……………………… 1.2.2.4 Випробування на тріщиностійкість…………………….. 1.2.2.5 Випробування на утомленість…………………………... 1.3 Методи підвищення конструкційної міцності ………………........ 1.4 Залізовуглецеві сплави основні конструкційні матеріали …… 1.4.1 Загальні положення …………………………………………... 1.4.2 Вуглецеві сталі …………………………………………........... 1.4.3 Чавуни………………………………………………………….. 1.4.3.1 Загальні відомості .............................................................. 1.4.3.2 Сірі чавуни……………………………………………....... 1.4. 3.3 Високоміцні чавуни…………………………………....... 1. 4. 3. 4 Ковкі чавуни ………………………………………….... 1. 4. 3. 5 Антифрикційні і леговані чавуни …………................. 1. 4. 3. 6 Чавуни з вермікулярним графітом ………………….... 2 Термічна обробка ………………………………………………............. 2.1 Загальні положення термічної обробки ………………………....... 2.2 Перетворення при нагріванні і охолоджуванні сталі……………... аустеніту 2.2.1 Утворення аустеніту при нагріванні……………………......... 2.2.2 Перетворення аустеніту при охолоджуванні ........................... 2.2.2.1 Перлітне перетворення ………………………………...... 2.2.2.2 Мартенситне перетворення …………………………....... 2.2.2.3 Бейнітне перетворення ………………………………....... 2.2.3 Перетворення мартенситу при нагріванні ………………….... 2.3 Види термічної обробки ……………………………………............ 2.3.1 Відпал ……………………………………………….…………. 2.3.1.1 Відпал роду …………………………………………….. 2.3.1.2 Відпал роду ………………………………………......... 2.3.1.3 Нормалізація ……………………………………………... 2.3.2 Гартування…………………………………………………...... 2.3.2.1 Загальні положення ...................................................... 2.3.2.2 Способи гартування……………………………........... 2.3.2.3 Обробка холодом ………………………………..….... 2.3.3 Відпуск ........................................................................................ 2.3.4 Дефекти термічної обробки …………………………............... 2.4 Поверхневе зміцнення ………………………………………........... 2.4.1 Загальні положення ………………………………………........ 2.4.2 Поверхневе гартування ……………………………………….. 2.4.2.1 Гартування з індукційним нагрівом ……………….... 2.4.2.2 Гартування деталей з газополум'яним нагрівом ........ 2.4.2.3 Поверхневе гартування в електролітах …………...... 2.4.2.4 Гартування з нагрівом лазерним променем ................ 2.4.3 Хіміко-термічна обробка (ХТО) …………………….................... 2.4.3.1 Загальні положення ………………………………….. 2.4.3.2 Цементування сталі ………………………………….. 2.4.3.3 Азотування сталі ………………………………........... 2.4.3.4 Ціанування сталі ………………………………........... 2.4.3.5 Дифузійна металізація ……………………................. 3 Леговані сталі ……………………………………………………........... 3.1 Загальні положення ………………………………………………… 3.2 Конструкційні сталі …………………………………………............ 3.2.1 Низьковуглецеві сталі для цементації ……………….............. 3.2.2 Сталі підвищеної оброблюваності ……………………............ 3.2.3 Середньовуглецеві сталі для поліпшення ………………........ 3.2.4 Ресорно-пружинні сталі …………………………………......... 3.2.5 Підшипникові сталі ………………………………………........ 3.2.6 Високоміцні сталі ………………………………………........... 3.2.7 Зносостійкі сталі і сплави …………………………….............. 3.3 Інструментальні сталі ………………………………………............ 3.3.1 Загальні положення …………………………………………… 3.3.2 Сталі для ріжучого інструменту …………………………....... 3.3.2.1 Вуглецеві і леговані інструментальні сталі 3.3.2.2 Швидкорізальні сталі ………………………………... 3.3.3 Штампові сталі ……………………………………………....... 3.3.4 Сталі для вимірювальних інструментів …………………....... 3.3.5 Тверді сплави …………………………………………….......... 3.4 Спеціальні сталі ………………………………………………....... 3.4.1 Корозійностійкі (нержавіючі) сталі ………………................. 3.4.2 Жаростійкі сталі і сплави ……………………………............. 3.4.3 Жароміцні сталі і сплави …………………………….............. 3.4.4 Магнітні сталі і сплави ……………………………….............. 4 Кольорові метали і сплави …………………………………………...... 4.1 Алюміній і сплави на його основі………………………………..... 4.1.1 Загальна характеристика алюмінію …………………………. 4.1.2 Алюмінієві сплави ………………………………………......... 4.1.2.1 Алюмінієві сплави, що деформуються ………….......... 4.1.2.2 Ливарні алюмінієві сплави …………………................. 4.1.2.3 Гранульовані сплави …………………………............... 4.2 Магній і сплави на його основі ……………………………………. 4.2.1 Загальна характеристика магнію і його сплавів ...................... 4.2.2 Магнієві сплави, що деформуються ………………………..... 4.2.3 Ливарні магнієві сплави ………………………………............ 4.3 Титан і сплави на його основі ……………………………………... 4.3.1 Загальна характеристика титана і його сплавів ....................... 4.3.2 Промислові титанові сплави …………………………............. 4.4 Берилій і сплави на його основі ………………………………….... 4.4.1. Властивості берилію ………………………………………….. 4.4.2 Берилієві сплави ………………………………………............. 4.5 Мідь і сплави на її основі ………………………………………....... 4.5.1 Загальна характеристика міді і її сплавів …………………..... 4.5.2 Латунь ………………………………………………………...... 4.5.3 Бронза ………………………………………………………...... 4.5.3.1 Олов'яна бронза …………………………………........... 4.5.3.2 Алюмінієва бронза …………………………….............. 4.5.3.3 Кремніста бронза ………………………………............ 4.5.3.4 Берилієва бронза ………………………………..............
Література……………………………………………………………..........
|
|
|
ВСТУП
Однією з передумов нових досягнень сучасної техніки є створення нових матеріалів з наперед заданими властивостями (міцністю, твердістю, зносостійкістю, стійкістю до дії високих температур і агресивного середовища і т.п.). Метали та їх сплави є основними конструкційними матеріалами, а залізо з них має особливе значення. Ще народи давнього світу виробляли залізо та його сплави та піддавали їх термічній обробці.
На протязі багатьох століть застосування металів і сплавів та їх обробка мали ремісницький характер. Перший етап металознавства у сучасному розумінні цієї дисципліні припадає на 70-ті роки ХІХстоліття – 20-ті роки ХХ століття.
Початки теорії і наукових основ технології термічної обробки сталі були закладені у працях Д.К.Чернова (1839-1921), який встановив критичні температури при нагріванні і охолодженні сталі, заклав основи теорії кристалізації зливків та інш.
Дослідження структури сталей і чавунів в залежності від швидкості охолодження були проведені німецькими вченими А.Ледебуром (1837-1906) і А.Мартенсом (1850-1914), на честь яких названі структурні складові, що утворюються в залізовуглецевих сплавах.
В 1898 р. англійський вчений У.Робертс-Аустен (1843-1902) опублікував перше систематизоване дослідження сплавів заліза з вуглецем і діаграму стану системи залізо-вуглець.
Систематичні дослідження структурних і фазових перетворень були виконані американським вченим Е.Бейном (1891-1974). В 1929 р. Бейн опублікував роботу по дослідженню розпаду аустеніту при ізотеричному відпалу.
Другий етап розвитку металознавства розпочинається з 20-х років ХХ століття, коли для дослідження металевих сплавів було застосовано рентгеноструктурний аналіз, який дав змогу виявити закономірності атомної та структурної будови металів. Крім рентгеноструктурного аналізу широко застосовують фізичні методи дослідження для вивчення дифузії металів, ліквації, зношування та виявлення внутрішніх дефектів у масивних металевих виробах.
Завдання даного курсу – надати студентам необхідні знання про основні металічні матеріали, їхній склад, властивості та призначення, а також про принципи вибору цих матеріалів залежно від умов експлуатації.
1 Конструкційна міцність і шляхи її підвищення
1.1 Загальні положення
Матеріалознавство як наука займається вивченням будови і властивостей конструкційних матеріалів, їх взаємозв'язку і умов формування в заданому напряму.
Конструкційними називаються матеріали, призначені для виготовлення різних механізмів, конструкцій і приладів, які характеризуються великою різноманітністю умов експлуатації. Вони працюють при статичних, циклічних і ударних навантаженнях, при низьких і високих температурах, у контакті з різними середовищами. Для забезпечення належної працездатності матеріал повинен мати високу конструкційну міцність.
Конструкційною міцністю називається комплекс механічних властивостей, що забезпечують надійну і тривалу роботу в умовах експлуатації.
Механічні властивості характеризують здатність матеріалу чинити опір зовнішнім силам, під дією яких метал змінює свою форму і розміри, тобто деформується.
При малих ступенях деформації діє відомий закон Гука, відповідно до якого відносна деформація пропорційна напрузі, а коефіцієнтом пропорційності є модуль пружності.
Розрізняють два види модуля пружності: модуль нормальної пружності (модуль Гука – Е) і модуль дотичної пружності (модуль Юнга – G). У першому випадку сили намагаються відірвати, а в другому – зсунути атоми щодо один одного. Модуль Гука разу перевищує за величиною в 2,5 – 3 рази модуль Юнга. Значення модулів пружності є константами матеріалу. Вони визначаються силами міжатомної взаємодії і характеризують жорсткість матеріалу, тобто його здатність чинити опір пружній деформації під дією зовнішніх сил.
Модуль пружності, структурно нечутлива характеристика і термічна обробка або інші способи зміни структури металу його практично не змінюють. Але при підвищенні температури, коли міжатомні відстані збільшуються, модуль пружності зменшується.
У разі пружної деформації атоми зміщуються з положень рівноваги в кристалічних гратах і відстані між ними змінюються. У результаті цієї зміни порушується баланс сил притягання і електростатичного відштовхування і виникає рівнодіюча сила, яка намагається повернути атом в положення рівноваги. Якщо не перевищена межа пружності, то після зняття зовнішнього навантаження кожен атом повертається в положення рівноваги, пружні деформації зникають, і структура металу не змінюється. Таким чином, пружність – це здатність матеріалів повністю відновлювати свою форму і розміри після усунення причин, які викликали деформацію.
При збільшенні навантаження у разі перевищення напружень в металі над межею пружності закон Гука не виконується, і деформація стає необоротною. Процес, який викликає залишкові зміни в металі, називається пластичною деформацією.
Єдиним видом навантаження, яке здатне викликати залишковий зсув атомів один щодо одного без порушення зв'язку між ними, є сили зрушення. Залишкова деформація може бути викликана також розтягуючими або стискаючими силами, але в них ефективною буде лише та складова, яка відповідає силам зрушення і створює в кристалі дотичні напруги.
Пластична деформація спотворює кристалічні грати, збільшує кількість дефектів (дислокацій і вакансій), викликає появу внутрішніх напружень, а при подальшому збільшенні ступеня деформації створює певну орієнтацію зерен металу (текстуру). У результаті пластичної деформації відбувається наклеп металу, тобто його зміцнення.
При кімнатній температурі рухливість атомів не є достатньою для мимовільної перебудови структури і повернення металу в стабільний стан, тому процеси рекристалізації в пластично деформованому металі розвиваються тільки при нагріванні. При цьому деформована структура повністю відновлюється, внаслідок чого міцність і твердість знижуються, а пластичність підвищується. Температура рекристалізації (Трекр.) залежить від температури плавлення (Тпл.) таким чином (формула А.А.Бочвара):
Трекр.= 0,4 Тпл.
Температура рекристалізації має важливе практичне значення. Щоб відновити структуру і властивості деформованого металу (наприклад, у разі потреби продовжити обробку тиском, прокатуванням, волочінням і т. п.), його нагрівають вище температури рекристалізації. Таку обробку називають рекристалізаційним відпалом.
Пластична деформація вище температури рекристалізації до певної міри зміцнює метал, проте цей ефект усуває подальша рекристалізація. Обробку металу тиском вище за температуру рекристалізації, при якій відсутнє зміцнення, називають гарячою обробкою тиском, а холодною – обробку тиском нижче за температуру рекристалізації.
Будь-який процес деформації при збільшенні напруг завершується руйнуванням. На атомному рівні руйнування є розривом міжатомних зв'язків з утворенням нових поверхонь. Руйнування металу може бути крихким або в'язким залежно від того, яким чином відбувається процес зародження і розповсюдження тріщин.
Руйнування шляхом зрушення під дією дотичних напруг називається в'язким, а руйнування шляхом відриву або відколу під дією нормальних напруг – крихким. В'язке і крихке руйнування відрізняються між собою величиною роботи руйнування, видом поверхні зламу, а також швидкістю розповсюдження тріщини.
Для розповсюдження тріщини, що є в твердому тілі, необхідно, щоб при звільненні енергії, накопиченої в пружно деформованому тілі, її величина перевищувала витрати енергії для утворення нових поверхонь в процесі збільшення довжини тріщини.
Крихке руйнування відбувається за рахунок звільнення накопиченої в системі пружної енергії і для розповсюдження тріщини не потрібно підводити ззовні енергію. Витрати енергії на утворення нових поверхонь в результаті розкриття тріщини менш, ніж накопичена пружна енергія, яка звільняється при цьому. Зростання тріщини при крихкому руйнуванні відбувається після збільшення її довжини вище за деяке критичне значення, а вершина тріщини має гостроту, яка за радіусом біля вершини відповідна з атомними розмірами. Критичний розмір тріщини характеризується такою концентрацією напружень в її вершині, яка є достатньою для розриву міжатомних зв'язків. При досягненні тріщиною критичної довжини її подальше розповсюдження відбувається лавиноподібне, без помітної пластичної деформації у вершині тріщини і без підведення енергії ззовні. Швидкість розповсюдження крихкої тріщини в сталях досягає 2500 м/сек.
При в'язкому руйнуванні стає необхідним підвід енергії ззовні. Ця енергія витрачається на пластичну деформацію металу попереду тріщини, що зростає, а також на подолання виникаючого при цьому зміцнення металу. При цьому робота, яка витрачається на пластичну деформацію, значно перевищує роботу руйнування. В'язке руйнування характеризується малою швидкістю розповсюдження тріщини. Пластичні матеріали руйнуються із значними залишковими деформаціями, а крихкі – без помітних залишкових деформацій (без утворення шийки).
Залежно від температури залізо і ще деякі метали з ОЦК і ГЩУ гратками можуть руйнуватися як в'язко, так і крихко. Зниження температури зумовлює перехід від в'язкого руйнування до крихкого, і це явище одержало назву холодноламкості.