Лекция 17. Конструкционные и электротехнические материалы.

Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов. Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике. Электротехнические материалы: полупроводники, диэлектрики, проводники, сверхпроводники.

Конструкционные материалы на основе легких и тяжелых металлов. Свойства конструкционных материалов, применяемых в технике.

Под материалами понимают вещества, идущие на изготовление чего-либо или используемые при эксплуатации других веществ. Материалы, предназначенные для изготовления деталей машин и аппаратов, приборов, технических конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам, называются конструкционными. Среди конструкционных материалов выделяют прочные, износостойкие, упругие, легкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные. Материалы разделяют по магнитным, электрическим и другим свойствам.

Однако основы современной технике – машины и механизмы – изготовляют в основном из металлических материалов – металлов, сплавов металлов друг с другом и с некоторыми неметаллами.

В настоящее время сплавы железа подразделяют, на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода в железе и температуры, получаются различные стали, отличающиеся микроструктурой. Такие стали обладают различными кристаллическими и механическими свойствами и могут превращаться одна в другую.

Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость зависит от кристаллической модификации железа и температуры. Углерод растворяется в γ-железе гораздо лучше, чем в других полиморфных модификациях железа. Раствор углерода в γ-железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое γ-железо. Твердый раствор углерода в α-, β-, δ-железе называется ферритом, твердый раствор углерода γ-железе – аустенитом.

Феррит является твердым раствором внедрения углерода в объемно-центрированную кубическую решетку железа. В связи с малыми расстояниями меду атомами железа в кристаллической решетке атомы углерода вынуждены размещаться в дефектах решетки (вакансиях, дислокациях).

Аустенит представляет собой фазу внедрения атомов углерода между атомами железа в гранецентрированной кубической решетке γ-железа. Но в связи с большим значением параметра кристаллической решетки γ-железа, чем у его остальных модификаций, содержание углерода значительно больше (до 2,14 % (масс.).

Другой фазой, образуемой железом и углеродом, является карбид железа, или цементит, Fe₃C. Цементит имеет сложную кристаллическую структуру, содержит 6,67 % (масс.) углерода и характеризуется высокой твердостью (близкой к твердости алмаза) и значительной хрупкостью.

Механические свойства феррита и аустенита зависят от содержания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.

Железоуглеродные сплавы, содержащие меньше 2,14 % углерода, называются сталями, а содержащие больше 2,14 % углерода – чугунами.

Наиболее совершенный промышленный способ получения стали – плавка в электрических печах. Этим способом выплавляют в настоящее время большинство сортов специальных сталей. В электрической печи легко обеспечивается быстрый подъем и точное регулирование температуры, в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь с наименьшим количеством вредных примесей и заданного состава с высокой точностью.

При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1 %). При кристаллизации стали, кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (II). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлических примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали. На качество стали, сильно влияют содержащиеся в ней газы (кислород, водород, азот) и вредные примеси (сера, фосфор). Кислород, азот и водород снижают пластичность и способствуют, хрупкому разрушению стали. Сера придает хрупкость стали при горячей обработке давлением (красноломкость), присутствуя в ней в виде сульфидов FeS. Крайне нежелательная примесь – фосфор, который вызывает хладноломкость: хрупкость стали при пониженных температурах. Сталь обыкновенного качества содержат до 0,015 % S и 0,045 % P, высококачественные стали содержат серы не более 0,015 %, а фосфора – не более 0,025 % масс.

Для удаления из сталей кислорода её еще в процессе получения, в жидком состоянии, подвергают раскислению. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода добавлением марганца, кремния, алюминия, титана. Эти элементы активно связывают кислород, содержащийся в стали, в виде оксидов, которые переходят в шлак. Если кислород из стали не удалять, то при деформации при высоких температурах сталь подвергается хрупкому разрушению. Марганец также связывает серу в виде MnS и способствует, таким образом, устранению красноломкости стали:

Термической обработкой стали называется изменение ее структуры, а следовательно, и свойств, достигаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой температуре и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали – важнейшая операция в технологии стали. Она может очень сильно изменить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инструменты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки. Применяются различные виды термической обработки, придающие стали различные свойства. Важнейшими являются закалка и отпуск.

Закалка – это нагревание стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит. Закалка придает, стали твердость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции – отпуску. Данная операция состоит в нагревании стали до температуры, при которой еще не достигается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно медленном охлаждении. Отпуск – конечная операция термической обработки. В результате закалки и отпуска сталь получает требуемые механические свойства.

Механические свойства медленно охлажденной углеродистой стали, сильно зависят от содержания в ней углерода. Медленно охлажденная сталь состоит из феррита и цементита, причем количество цементита пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита намного выше твердости феррита. Поэтому при увеличении содержания углерода в стали, ее твердость повышается. Кроме того, частицы цементита затрудняют движение дислокаций в основной фазе – в феррите. По этой причине увеличение количества углерода снижает пластичность стали.

Легированные стали. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной сталью. К важнейшим легирующим элементам относятся хром, никель, марганец, кремний, ванадий, молибден.

Различные легирующие элементы по-разному изменяют структуру и свойства стали. Так, некоторые элементы образуют твердые растворы в γ-железе, устойчивые в широкой области температур. Например, твердые растворы марганца или никеля в γ-железе при значительном содержании этих элементов стабильны от комнатной температуры до температуры плавления. Сплавы железа с подобными металлами называются, поэтому аустенитными сталями или аустенитными сплавами.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в кристаллическую решетку полиморфной модификации α-железа, в конструкционных сталях составляет не менее 90 % по объему. Он во многом определяет свойства стали. Легирующие элементы, растворяются в феррите и упрочняют его. Особенно сильно повышают твердость феррита Si, Mn и Ni, склонные к образованию иных кристаллических решеток, чем объемно-центрированная кубическая решетка α-Fe. Слабее влияют Mo, W, Cr, изоморфные α-Fe. Наиболее ценным и дефицитным легирующим элементом является никель. Вводя никель в сталь в количестве от 1 до 5 %, добиваются уменьшения порога перехода в хрупкое состояние стали на 60-80 ⁰С и более.

По своему назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. В качестве конструкционных, могут использоваться как углеродистые, так и легированные стали. Конструкционные стали обладают высокой прочностью и пластичностью. В то же время они должны хорошо поддаваться обработке давлением, резанием, хорошо свариваться. Основные легирующие элементы конструкционных сталей – это хром (около 1 %), никель (1-4 %) и марганец (1-1,5 %).

Марганцовистая сталь, содержащая до 15 % Mn, обладает высокими твердостью и прочностью. Из нее изготовляют рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы.

Инструментальные стали – это углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов. Необходимую твердость обеспечивает содержащийся в этих сталях углерод (в количестве от 0,8 до 1,3 %). Основной легирующий элемент инструментальных сталей – хром, иногда в них вводят также вольфрам и ванадий. Особую группу инструментальных сталей составляет быстрорежущая сталь, сохраняющая режущие свойства при больших скоростях резания, когда температура рабочей части резца повышается до 600-700 ⁰С. Основные легирующие элементы этой стали – хром и вольфрам.

Стали с особыми свойствами. К этой группе относятся нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и некоторые другие стали. Нержавеющие стали устойчивы против коррозии в атмосфере, влаге и в растворах кислот, жаростойкие – в коррозийно-активных средах при высоких температурах. Жаростойкие стали сохраняют высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, что важно при изготовлении лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей и ракетных установок. Важнейшие легирующие элементы жаропрочных сталей – это хром (15-20 %), никель (8-15 %), вольфрам. Жаропрочные стали принадлежат к аустенитным сплавам.

Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются, и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготавливают из низкоуглеродистых (менее 0,005 % С) сплавов железа и кремния. Эти стали легко перемагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь.

К чугунам относят сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода. Различают чугуны: белые, серые, высокопрочные и ковкие. Чугун отличается от стали своими свойствами. Он в очень малой степени способен к пластической деформации, но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали. В зависимости от условий кристаллизации, чугун может содержать углерод в виде цементита, графита или в виде их смеси. Форма образующегося графита также может быть различной.

Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита. Из-за большого содержания углерода (6,69 % (масс.)) белые чугуны характеризуются высокой твердостью, хрупкостью. Поэтому в качестве конструкционного материала белые чугуны применяются в виде белого упрочняющего слоя на поверхности серого чугуна для изготовления прокатных валков, лемехов плугов, тормозных колодок и др.

В сером чугуне углерод содержится главным образом в виде пластинок графита. Эти низкопрочные пластинчатые включения углерода пронизывают металлическую основу материала и служат центрами разрушения серого чугуна при растяжении. Это влияние графита гораздо меньше сказывается при сжатии чугуна. Поэтому прочность чугуна при сжатии примерно в четыре раза больше прочности при растяжении. Поэтому серый чугун применяют при изготовлении деталей, работающих на сжатие, или для ненагруженных деталей (станины станков, корпуса редукторов и насосов, поршневые кольца двигателей и др.).

Высокопрочный чугун содержит графит в шаровидной (глобулярной) форме в интервале 3,0-3,6 %. Для этого в чугун вводят магний (до 0,08 %). Шаровидный углерод меньше снижает прочность чугуна, чем пластинчатый. Такие чугуны дешевле сталей и их часто применяют для замены стальных деталей и конструкций. Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станков, прокатные валки, насосы, вентили.

Медные и другие сплавы.

Латуни содержат медь до 45 % цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних, кроме меди и цинка, входят другие элементы, например, железо, алюминий, олово, кремний. Латуни находят разнообразное применение. Из них изготавливают трубы для конденсаторов и радиаторов, детали механизмов, в частности часовых. Некоторые специальные латуни обладают высокой коррозийной стойкостью в морской воде и применяются в судостроении. Латунь с высоким содержанием меди – томпак – благодаря своему внешнему сходству с золотом используется для ювелирных и декоративных изделий.

Медноникелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся мельхиоры и нейзильберы. Мельхиоры содержат 20-30 % никеля и небольшие количества железа и марганца, а нейзильберы содержат 5-35 % никеля и 13-45 % цинка. Благодаря стойкости против коррозии в воде, в том числе морской, конструкционные медноникелевые сплавы получили широкое распространение в судостроении и в энергетической промышленности. Из них изготавливают радиаторы, трубопроводы, дистилляционные установки для получения питьевой воды из морской.

Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные, магнитные и сплавы с особыми свойствами. Жаропрочные сплавы никеля используются в современных турбинах и реактивных двигателях, где температура достигает 850-900 ⁰С. К важнейшим жаропрочным сплавам никеля относятся нимоник, инконель, хастеллой. В состав этих сплавов входит свыше 60 % никеля, 15-20 % хрома и другие металлы. Производятся также металлокерамические жаропрочные сплавы, содержащие никель в качестве связующего металла. Эти сплавы выдерживают нагревание до 1100 ⁰С. К сплавам никеля с особыми свойствами принадлежат монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит. Монель-металл (сплав никеля с 30 % меди) широко используется в химическом аппаратостроении, так, как по механическим свойствам он превосходит никель, а по коррозийной стойкости почни не уступает ему.

Износостойкие материалы.

Одним из необходимых условий создания износостойкого материала является обеспечение высокой твердости его поверхности. Такими свойствами обладают многие карбиды металлов. Карбиды металлов входят в составы сплавов карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) с углеродом (до 40 % С). Их применяют для изготовления литых и наплавочных материалов.

Упрочнения поверхности стали можно добиться специальными методами, такими как поверхностной закалкой с нагревом токами высокой частоты и химико-термической обработкой в виде цементации и азотирования. Цементация и азотирование – процессы диффузионного насыщения поверхностного слоя детали углеродом и азотом, соответственно. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину (зубчатые колеса, коленчатые валы, кулачки, червяки).

Легкие конструкционные материалы. Для современной техники характерно снижение массы машин, аппаратов, приходящиеся на единицу используемой мощности. Для этого используют материалы с высокой удельной прочностью. Удельная прочность – отношение прочности материала к его плотности.

Современные материалы, применяемые в автомобилях, судах, авиации, космической технике, должны обладать большой удельной прочностью и достаточной пластичностью. Однако большинство пластичных материалов не обладает термической прочностью, а высокопрочные материалы – недостаточно пластичны.

В качестве конструкционных материалов из легких металлов применяются только Be, Mg, Al, Ti и сплавы на их основе. Данные металлы являются химически стойкими веществами, благодаря наличию плотных защитных оксидных слоев.

Сплавы на основе бериллия и магния обладают наряду с малой плотностью ценными упруго-прочностными свойствами. Бериллий обладает, прочностью легированной стали, а его удельная прочность одна из наивысших среди металлов. Бериллий является одним из лучших материалов для изготовления жестких и легких конструкций. Главными недостатками бериллия являются хрупкость, высокая стоимость и токсичность.

Прибавка к магнию небольших количеств других металлов существенно улучшает его твердость, прочность и сопротивляемость к коррозии. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность, составляющая 1,8 г/см³. Они используются в ракетной технике, в авиастроении, при изготовлении автомобилей, мотоциклов, приборов. Недостатком сплавов магния являются низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере и, особенно в морской воде.

Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, которая сравнима с прочностью высокопрочных сталей. Сплавы алюминия имеют низкую плотность, составляющую 2,5 – 2,8 г/см³. Они также имеют такие достоинства как удовлетворительную стойкость против атмосферной коррозии, простоту получения и обработки.