М А Т Е Р И Л О В Е Д Е Н И Е

Лекции Елсуковой Л.А.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение - наука о строении материалов, их свойствах и применении в технике и промышленности.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Дмитрию Константиновичу, который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска, пластической деформации и т.д.

В своих работах по кристаллизации стали и строению слитка, Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

Все КОНСТРУКЦИОННЫЕ материалы можно подразделить на металлические и неметаллические.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ конструкционные материалы бывают на основе черных или цветных металлов. К черным относят железо и сплавы на его основе – чугуны, стали, сплавы с особыми свойствами; к цветным - медь, алюминий, титан, магний и другие.

К НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ конструкционным материалам относят пластмассы, резину, керамику, древесину, стекло и др.

Большое разнообразие применяемых конструкционных материалов, обусловлено большим разнообразием эксплуатационных характеристик, т.е. к материалу при эксплуатации предъявляется комплекс различных требований. Например, материал должен обладать:

- высокими характеристиками прочности и пластичности;

- коррозионной стойкостью;

- способностью работать при высоких (низких) температурах;

- износостойкостью;

- электропроводностью;

- иметь малый удельный вес и т.д.

При конструировании, изготовлении и эксплуатации машин, приборов, конструкций специалисту (конструктору, технологу, рабочему, персоналу по обслуживанию и эксплуатации конструкций) приходится сталкиваться с конструкционными материалами, их выбором, использованием. Специалисты должны понимать выбор того или иного материала для конструкций, должен представлять, чем обусловлен выбор того или иного вида термообработки, уметь пользоваться справочной литературой, государственными стандартами.

Дисциплина материаловедение является общепрофессиональной – ее изучают и сварщики, и резчики, и механики, ит.д.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты.

Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с ЗАРАНЕЕ РАССЧИТАННЫМИ СВОЙСТВАМИ применительно к заданным параметрам и условиям работы.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная

металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь, они обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Поэтому, по данным научных исследований, через 20-40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на основе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

ОСОБЕННОСТИ АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

В огромном ряду материалов, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому : и в названиях эпох – золотой, серебряный, бронзовый, железный века; и в археологических находках металлических изделий ( кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов. Металлы характеризуются определенным набором свойств : металлический блеск (хорошая отражательная способность); - пластичность; высокая теплопроводность; высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невеликои они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность, электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Общим свойством металлов и их сплавов является их КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, характеризующееся закономерным расположением атомов в пространстве ( в отличие от аморфных тел, характеризующихся беспорядочным расположением).

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, являющейся воображаемой пространственной сеткой, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Наиболее распространены три типа кристаллических решеток:

- объемно-центрированная кубическая ОЦК ( Cr , Mo, α - Fe, W, V)$

- гранецентрированная кубическая ГЦК ( Al, Ni, Cu, γ-F, Ag, Au);

- гексональная плотноупакованная ГПУ (Mg, Ti, Zn, Co, Be).

Рассматривая схематические изображения, необходимо помнить, что реальный металл состоит из большого числа ячеек, условные линии воображаемы, а атомы колеблются в условных точках, так называемых УЗЛАХ РЕШЕТКИ.

Рис.1. Типы кристаллических решеток - .Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1984 (далее : учебник ), стр.7, рис.1.1.

Из рисунка видно, что решетка ОЦК менее компактна, чем ГЦК и ГПУ.

ПОЛИМОРФИЗМ МЕТАЛЛОВ

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различные кристаллические решетки.

Способность металлов существовать в различных кристаллических формах носит название

полиморфизм или аллотропия.

Ряд элементов : (Fe, Ti, Co, Mn, Sn, Ca, Li ) имеют две и более модификации кристаллических решеток. Обозначаются они малыми буквами греческого алфавита (α,β,γ…), начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

Рассмотрим кривую охлаждения железа в координатах температура – время, характеризующую его полиморфные превращения.

Рис.2. Кривая охлаждения железа. Учебник, стр.13, рис1.11.

На явлении полиморфизма основана термообработка сплавов. При переходе из одной модификации в другую, меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества γ- Fе на 3 % больше плотности α – Fe, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Наличие горизонтальной площадки на кривой охлаждения объясняется тем, что превращение одной модификации в другую сопровождается тепловым эффектом (выделением тепла) – т.е. охлаждение компенсируется выделением тепла; в итоге превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре - на графике – горизонтальная площадка.

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, т.е. имеют Поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве.

Рис.3. Поликристаллическое строение металлов. Учебник, стр.19, рис2.3, а).

В самой кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты – нарушения в расположении атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения : точечные (малые во всех трех измерениях), линейные (малые в двух измерениях и протяженные в третьем) и поверхностные (малые в одном измерении).

К точечнымотносятся : ВАКАНСИИ – свободные места в узлах кристаллической решетки;

ДИСЛОЦИРОВАННЫЕ АТОМЫ - атомы, сместившиеся из узлов в междоузельные промежутки

Рис.4. Точечные дефекты Учебник, стр.8, рис.1.2,г).

Точечные дефекты производят локальные изменения межатомных расстояний, тем самым искажая кристаллическую решетку, что способствует некоторому упрочнению кристаллов. (и увеличению их электросопротивления).

ЛИНЕЙНЫЕ несовершенства - так называемые ДИСЛОКАЦИИ – это сдвиги, смещения в кристаллической решетке.

Рис.5. Линейные дефекты -дислокации. Учебник, стр.9, рис1.3.

Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Дислокации подвижны, т.к. решетка в их зоне искажена и атомы смещены относительно своего равновесного положения . ( Чем легче перемещаются дислокации , тем ниже прочность материала , тем легче идет пластическая деформация).

Дислокации образуются при кристаллизации, при пластической деформации, при термообработке и т.д.

С увеличением плотности дислокаций (т.е. увеличение их количества в единице объема) , их движение постепенно затрудняется (они как бы мешают друг другу , тормозят друг друга), что

требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется.

Из всего сказанного выше сделаем следующий важный ВЫВОД: повышение прочности металлов м.б. достигнуто 2 путями :

1) Получение металлов с кристаллической решеткой , близкой к идеальной (т.е. без дефектов кристаллического строения – монокристаллы)

2) Наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций .

Препятствовать движению дислокаций, т.е. упрочнять металл можно путем введения легирующих элементов, наклепом (обработка давлением для придания формы в холодном состоянии), термической или термомеханической обработкой…

К ПОВЕРХНОСТНЫМ несовершенствам относятся границы зерен металла( малая толщина и значительные размеры в двух других измерениях). Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону ( 5-10 атомных расстояний) с нарушенным порядком расположения атомов. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением дислокаций и примесей. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются также местом повышенной концентрации примесей, что обуславливает их существенное влияние на механические свойства.

Рис.6. Поверхностные несовершенства . Учебник, стр.11, рис1.7.

ЧЕМ МЕЛЬЧЕ ЗЕРНО ( при мелком зерне протяженность границ увеличивается , а они в свою очередь препятствуют перемещению дислокаций), ТЕМ ВЫШЕ ПРОЧНОСТЬ металла, одновременно увеличиваются его ПЛАСТИЧНОСТЬ и ВЯЗКОСТЬ.

ИЗОТРОПИЯ АНИЗОТРОПИЯ

(изотропность – одинаковость, анизотропность – неодинаковость свойств по разным напрвлениям)

Аморфные тела, где расположение атомов хаотично и расстояния между атомами по всем направлениям одинаковы, имеют одинаковые свойства при испытаниях по разным направлениям, те. являются изотропными .

В кристалле расстояния между атомами в разных направлениях различно ( вспомни эскизы кристаллических решеток). Поэтому и свойства в разных направлениях различны.

Неодинаковость свойств в зависимости от направления испытания называется анизотропией (частица «а» - отрицание) . Таким образом монокристаллы обладают анизотропией.

Реальные металлы состоят из большого числа кристаллов, хаотично расположенных относительно друг друга, поэтому расстояния между атомами по всем направлениям усредняются и поликристаллы характеризуются изотропностью.

Однако, при обработке металлов давлением, большинство зерен приобретает одинаковую ориентировку (текстуру), поэтому металл становится анизотропным, т.е его свойства вдоль и поперек направления деформации существенно отличаются.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц, твердые кристаллические тела имеют правильное строение. В жидкостях определенная ориентировка распространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов.

При охлаждении жидкости, подвижность атомов падает и вблизи температуры кристаллизации образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы как в кристаллах. Эти группировки являются ЦЕНТРАМИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ или ЗАРОДЫШАМИ.

МЕХАНИЗМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Дмитрием Константиновичем Черновым было установлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно:

1) зарождение центров кристаллизации (это небольшие группировки атомов в жидком состоянии упакованные также, как и в тв. состоянии);

2) рост кристаллов из этих центров.

Рис.8. Схема кристаллизации металла. Учебник, стр.11, рис1.6.

Взаимным ростом кристаллов объясняется их неправильная форма. Реальные твердые кристаллы, получившие неправильную форму называются (как мы уже отмечали раньше) ЗЕРНАМИ или КРИСТАЛЛИТАМИ.

От соотношения СКОРОСТИ ЗАРОЖДЕНИЯ и РОСТА зависит размер зерна. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы.

УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ

??? Свойства выше у крупно- или мелкозернистой структуры?

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

Размер зерен при кристаллизации зависит от числа частичек нерастворимых примесей (оксидов, нитридов, сульфидов) которые являются готовыми центрами. А также от степени переохлаждения: при увеличении степени переохлаждения (например, заливка в холодную металлическую форму – изложницу) число зародышей увеличивается, что приводит к образованию большого количества мелких зерен.

Мелкозернистую структуру можно получить также в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляют посторонние вещества – модификаторы (для стали – алюминий, ванадий, титан, для чугуна – магний)

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА

Схема стального слитка , данная еще Черновым Д.К. имеет следующий вид

Рис.9. Строение слитка спокойной стали. Учебник, стр.73, рис.6.10.

Слиток состоит из трех зон: 1- мелкокристаллическая корковая зона (mах переохлаждение)

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. Здесь образуется мелкозернистая структура.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, т.е. в направлении теплоотвода. Рост начинается с осей I порядка, одновременно

на их ребрах происходит зарождение и рост осей II порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (4,5,6) которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис.10. Схема дендрита по Чернову Д.К. Учебник, стр.12, рис.1.10.,а).

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

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Для решения основной задачи металловедения – определение связи структурой (строением) и свойствами материала используют различные методы, которые подразделяются на две группы: структурные и физические. К структурным относят такие, которые основаны на непосредственном наблюдении строения металлов – это макро-, микроскопический анализ, просвечивающая электронная микроскопия и др..; физические методы исследования основаны на измерении различных физических свойств.

Рассмотрим только металлографические методы исследования

ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ (макроанализ). Макроструктурой называют строение металла, видимое без увеличения или небольшом увеличении ( х 10-30раз). Макроструктуру можно исследовать непосредственно на поверхности металла – в изломе или на макрошлифе. Изучение излома называют фрактографией. По излому можно судить о размере зерна, особенностях литья, сварки, проката, выявить макродефекты, классифицировать характер разрушения (определить дефект технологический или эксплуатационный).

Макрошлифом называют поверхность образца (темплета), подготовленную для исследования макроструктуры. Темплет вырезают в определенном месте, которое подвергают исследованию. Поверхность темплета шлифуют ( на шлифовальном станке, а также вручную) с помощью шлифовального круга или грубой шлифовальной шкурке, промывают, обсушивают, подвергают травлению и исследуют. Места скопления примесей, различные несплошности ( поры, раковины, трещины) и др. дефектные участки структурно травятся сильнее и выглядят темнее остальных участков.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (микроанализ) применяют для определения микроструктуры и выявления микродефектов - микротрещин, микропор, для обнаружения неметаллических включений (сульфидов, оксидов…) и т.д. с помощью металлографических (принцип отраженного света) микроскопов ( х до 2000 раз) и электронных микроскопов ( х 200 000 раз). Шлифы для металлографических микроскопов приготавливают также , как и для макроанализа. Однако после шлифования ( шлифование проводят последовательно на нескольких шлифовальных шкурках , начиная с более крупной и заканчивая шлифовать на шкурке с мелким абразивом), шлиф для микроанализа до зеркального блеска полируют . После полировки образец промывают водой, просушивают фильтровальной бумагой и протравливают (при необходимости) различными реактивами.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлы обладают следующими свойствами: физическими (температура плавления, плотность, теплопроводность и т.д.), химическими ( способность вступать в химическое взаимодействие…), технологическими ( способность подвергаться различным способам обработки: резанием, давлением и т.д.) и механическими (cвойства, характеризующие способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил)

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Технология материалов представляет собой совокупность современных знаний о способах производства материалов и средствах их переработки в целях изготовления изделий различного назначения. Металлы и сплавы производят путем выплавки при высоких температурах из различных металлических руд. Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называется металлургией. Полимеры (пластмассы, резина, синтетические волокна) изготовляются чаще всего с помощью процессов органического синтеза. Исходным сырьем при этом служат нефть, газ, каменный уголь.

Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки из металлов и сплавов производятся путем литья или обработки давлением. Литейное производство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленного металла в специальную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изделия. Различают литье в песчаные формы (в землю) и специальные способы литья. Песчаные литейные формы изготовляются путем уплотнения формовочных смесей, основой которых является кварцевый песок. К специальным способам относится литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье в оболочковые формы, литые по выплавляемым моделям. Кокиль - это специальная металлическая форма. При литье под давлением заливка металла в металлическую форму и его застывание происходит под избыточным давлением. При центробежном литье металл заливается во вращающуюся металлическую форму. Оболочковые формы состоят из мелкого песка со связующим. При литье по выплавляемым моделям керамическая форма изготовляется путем погружения модели из легкоплавкого материала (парафина, стеарина) в керамическую суспензию и последующей выплавки мо дели из формы. Сплавы, предназначенные для получения деталей литьем, называются литейными.

Обработкой металлов давлением называют изменение формы заготовки под воздействием внешних сил. К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка. Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. При прессовании металл выдавливается из замкнутого объема через отверстие. Волочение заключается в протягивании заготовки через отверстие. Ковкой называется процесс свободного деформирования металла ударами молота или давлением пресса. Штамповкой получают детали с помощью специального инструмента - штампа, представляющего собой металлическую разъемную форму, внутри которой расположена полость, соответствующая конфигурации детали. Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давлением, называют деформируемыми.

Сравнительно новым направлением производства металлических деталей является порошковая металлургия, которая занимается производством деталей из металлических порошков путем прессования и спекания.

Изделия из пластмасс получают путем прессования, литья или выдавливания. Резиновые изделия получают обработкой между вала ми (каландрированием), выдавливанием, прессованием или литьем с последующей вулканизацией (см раздел 7.2.). Изделия из керамических материалов получают путем формования и обжига или прессования и спекания.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений материалов путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом), а также пластмассы.

Заключительной стадией изготовления изделий часто является обработка резанием, заключающаяся в снятии с заготовки режущим инструментом слоя материала в виде стружки. В результате этого заготовка приобретает правильную форму, точные размеры, необходимое качество поверхности.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость - это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов подаваться обработке режущим инструментом.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Пластическая деформация и механические свойства.

Деформация – это изменение формы и размеров изделия под действием напряжений.

Деформация бывает УПРУГОЙ, исчезающей после приложения нагрузки и ПЛАСТИЧЕСКОЙ –

остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется ( при растяжении - атомы удаляются, а при сжатии – сближаются). Изменение межатомного расстояния мало , и после снятия нагрузки под действием межатомных сил притяжения (или отталкивания – это зависит от вида нагрузки), атомы становятся на свои места.

При пластической деформации происходит СКОЛЬЖЕНИЕ (СДВИГ) одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям кристаллической решетки. Для того, чтобы произвести сдвиг одной части кристалла относительно другой видеальном кристалле, понадобилось бы очень большое усилие. Реальная же прочность металла значительно ниже теоретической за счет имеющихся дефектов – дислокаций. Процесс скольжения в кристалле реального металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль плоскости скольжения.

С увеличением в металле числа дислокаций прочность сначала понижается. А затем повышается. ??? Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется темя, что они препятствуют перемещению друг друга и затрудняют пластическую деформацию.

НАКЛЕП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Упрочнение металла в результате холодной деформации называется НАКЛЕПОМ. При наклепе прочность и твердость увеличиваются, но пластичность снижается . Большая степень деформации приводит к изменению формыи соотношения размеров зерен.

До деформации После деформации

Рис.11. Влияние пластической деформации на структуру металла. Учебник, стр.19, рис. 2.3.

Волокнистое строение и наклёп могут быть устранены при нагреве металла. Частичное снятие наклёпа происходит уже при небольшом нагреве ( до 300 – 400 С для железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется. При нагреве до более высокой температуры в металле происходит образование новых равноосных зерен. Этот процесс называется рекристаллизацией. Наклёп при этом снимается полностью.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурой рекристаллизации. Абсолютная температура рекристаллизации Тp связана с абсолютной температурой плавления простой зависимостью:

Тp = а * Тпл.

Где: а – коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.

Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6.

Если деформирование металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации, то наклёп после деформации не возникает. Такая деформация называется горячей. При горячей деформации идут одновременно процессы упрочнения и рекристаллизации. Деформация, которая происходит ниже температуры рекристаллизации, называется холодной.

Методы испытания механических свойств

В зависимости от способа приложения нагрузки. Методы испытания делят на 3 группы:

- СТАТИЧЕСКИЕ, когда нагрузка возрастает медленно и плавно : испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость;

- ДИНАМИЧЕСКИЕ, когда нагрузка увеличивается с большой скоростью: испытания на ударный изгиб;

- ЦИКЛИЧЕСКИЕ - нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по значению 6 испытания на усталость (долговечность). Усталость – разрушение материала при многократных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести (при этом происходит постепенное накопление повреждений в металле , зарождение усталостной трещины , ее последующее развитие во времени).

На методы механических испытаний установлены ГОСТы.

Испытание на РАСТЯЖЕНИЕ

Проводят на разрывной машине. Цилиндрический или плоский образец зажимают (в струбцинах) с двух сторон и производят растяжение образца, постепенно увеличивая нагрузку. При этом длина образца увеличивается (так называемое удлинение). Испытания проводят до разрыва образца. Чтобы результаты не зависели от размеров образца, ДИАГРАММУ РАСТЯЖЕНИЯ cтроят в относительных координатах.

σ - растягивающее напряжение. σ = F/Sо,

где F - нагрузка,

Sо – начальная площадь поперечного сечения.;

Ε- относительна деформация, Ε = ∆l /lо,

Где ∆l –изменение длины образца (абсолютное удлинение

Рис.12. Диаграмма растяжения. Единицы измерения : σ – Мпа, δ, φ - %

Учебник,стр.21,рис.2.6.

От начала нагружения до точки σ пц зависимость прямая – удлинение пропорционально прилагаемой нагрузке. σпц - Предел ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ. Если нагрузка вызывает в образце напряжения меньше σ пц, то после снятия нагрузки размеры образца полностью восстанавливаются .

При σ>σпц возникает остаточная деформация. Напряжение, при котором возникает относительное остаточное удлинение ∆l/lо≤0-0,005 (т.е. очень малых значений) – называют УСЛОВНЫМ пределом УПРУГОСТИ (σ0,02, σ0,005).

При дальнейшем росте нагрузки, кривая (для пластичных металлов) имеет горизонтальный участок (т.е. деформация увеличивается при постоянном напряжении). Металл как бы течет, это напряжение σт – предел ТЕКУЧЕСТИ. Если площадка текучести отсутствует , то за предел текучести принимают ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ УСЛОВНЫЙ σ0,2, при котором остаточное удлинение Е =∆l/l= 0,2%.

Еще большее увеличение нагрузки вызывает рост напряжений в образце, которые достигают максимальное значение, называемое σВ – пределом ПРОЧНОСТИ (или временное сопротивление разрыву). При этом напряжении образуется шейка – местное утонение. В точке σ к происходит разрыв образца.

При испытаниях на растяжение определяют также ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ.:

- относительное УДЛИНЕНИЕ δ=lк – lо/ lо х 100%; lк,о – конечная, начальная длина рабочей части образца.

- относительное сужение ψ= Sо- Sк / Sо х 100%, где S о,к - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца.

ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ

ТВЕРДОСТЬ - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Наиболее простым способом является царапание твердым надфилем по поверхности. На металле с малой твердостью остается хорошо видимая царапина. Но конечно этот метод не точен.

Из множества методов измерения твердости наибольшее применение нашли следующие способы : метод Бринелля, метод Роквелла, метод Виккерса, а также измерение микротвердости на микротвердомере.

Определение твердости по Бринеллю. В поверхность исследуемого металла вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 2,5, 5 или 10мм. На поверхности остается отпечаток –лунка. Число твердости по Бринеллю НВ = F/Sотп, где F – нагрузка на шарик, Н(ньютон),

Sотп- площадь отпечатка от шарика, мм 2. Практически величину твердости НВ не рассчитывают, а выбирают по таблицам в зависимости от диаметра отпечатка, который определяют с помощью специальной лупы с делениями. Нагрузка F, устанавливаемая на твердомер Бринелль зависит от материала образца и диаметра шарика. ??? ( Чем выше предполагаемая твердость, тем больше диаметр шарика и нагрузка). При диаметре шарика 10мм нагрузка д.быть 30кН (3000кгс). Пример обозначения твердости : НВ 185. При применении других диаметров и нагрузок их величину проставляют через дробь после символа НВ –НВ _5/750 185 .

Для углеродистых сталей примерно можно использовать следующую зависимость: σВ = 0,3 НВ (если НВ185, σВ = 185 х 0,3 = 60 кгс/мм2 = 600МПа). Методом Бринелля испытывают материалы твердостью не более НВ450 (при более высокой твердости шарик деформируется и замеры становятся неточными).

Определение твердости по Роквеллу. В зависимости от твердости испытуемого материала, используют наконечники двух типов:

- стальной закаленный шарик диаметром 1,58мм при нагрузке 1000Н. В этом случае используется красная шкала прибора В и твердость обозначается НRВ( 64…102); применяется для образцов малой и средней твердости.

- алмазный конус с углом при вершине 120 градусов при нагрузке:

1500Н – шкала С черная , обозначение НRС (1-72) ; применяется для испытания твердых материалов.

600Н- шкала А черная, обозначение НRА; применяется для очень твердых металлов и для тонких образцов.

При этом методе измеряют глубину проникновения наконечника под действием суммарной нагрузки (нагрузку прилагают в две стадии –предварительная и окончательная). Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах ( за единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм - 2мкм). Существует факультативный (примерный) пересчет значений твердости по Бринеллю и Роквеллу: НRС=НВ/10.Метод Роквелла широко применяется, т.к. 1). можно измерять очень мягкие и очень твердые материалы; 2). метод прост в применении; 3) величина отпечатков мала, поэтому можно контролировать твердость на готовых изделиях.

Определение твердости по Виккерсу. В поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 градусов, при нагрузках 10-1000Н (т.е. большой интервал нагрузок). Твердость определяют по диагонали отпечатка и обозначают НV. Можно измерять как мягкие, так и твердые материалы. Данный метод можно применять для тонких сечений и твердых поверхностных слоев (за счет того, что можно выбрать маленькую нагрузку, для предотвращения продавливания тонких сечений и слоев).

Значения твердости по Виккерсу до 400 единиц очень близко совпадают со значениями твердости по Бринеллю.

Существуют таблицы с ориентировочным переводом значений твердости, определяемых различными методами.

ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ (динамические испытания)

Детали в процессе работы часто подвергаются ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию этих нагрузок. (например, чугуны, сталь с крупнозернистой структурой имеют высокие показатели при статических испытаниях, однако разрушаются при небольших ударных нагрузках).

Способность конструкционных материалов сопротивляться ударным нагрузкам, называется ударной вязкостью.

Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникого копра. маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ – это отношение работы маятника W , затраченной на ударный излом (изгиб) образца, к площади его поперечного сечения Sо в месте надреза. КС = W /Sо, Дж/м2

Стандартный образец с надрезом посередине устанавливают на опоры копра и наносят удар свободно падающим маятником. В зависимости от вида концентратора напряжений (надреза) различают образцы 3 видов:

- КСU – радиус дна надреза 1,0мм; КСV - радиус дна надреза 0,25мм; КСТ – с трещиной

По ударной вязкости определяется склонность металла к хрупкости при работе в условиях низких температур, т.е. хладноломкость.

Минимально допустимые значения ударной вязкости включают в паспорта и технические условия на приемку материалов. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

В большинстве случаев в технике и промышленности применяют сплавы , а не чистые металлы, т.к. чистые металлы не обладают требуемым комплексом механических и технологических свойств.

Механическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более компонентов и обладающее металлическими свойствами. В качестве компонентов в металлических сплавах могут быть металлы, неметаллы, химические соединения. (Пример: чугуны, стали)

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в

друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны .

При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, при этом могут образовываться:

- твердые растворы; химические соединения; механические смеси

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого располагаются в ней. В зависимости от того, где находятся атомы растворенного вещества, различают твердые растворы замещения и внедрения. В твердом растворе замещения– атомы растворенного замещают часть атомов растворителя. В твердом растворе внедрения– атомы растворяющегося внедряются между атомами растворителя (находятся в междоузлиях).

Химическое соединение. Металлы образуют химические соединения, как с металлами, так и с неметаллами (оксиды, сульфиды, карбиды). Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, резким изменением свойств при изменении состава, а также образованием кристаллической решетки, отличной от решеток входящих в него элементов.

Механическая смесь образуется, когда элементы не растворяются в твердом состоянии друг в друге и не вступают в химическое соединение. Каждый элемент кристаллизуется самостоятельно. Свойства сплава получаются промежуточными между свойствами элементов, которые его образуют.

Например сплав состоит из компонентов А и В, то возможны следующие фазы:

Рис.13. Структура и строение элемент. ячейки крист. решетки двухкомпонентных сплавов. Учебник,стр.30,рис.4.1.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Диаграмма представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия .

По диаграмме можно проследить за превращениями при нагреве или охлаждении, определить структуру при данной температуре, установить режим т/о, температурный режим технологических операций.

В сплавах могут образовываться следующие фазы : жидкие растворы, химические соединения, твердые растворы, механические смеси не относят к фазам – это структурная составляющая.

Фаза – это однородная по химическому составу и свойствам часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела.

Существует четыре основных типа диаграмм.

Диаграммы состояния сплавов строят экспериментально: изготавливают серию сплавов различной концентрации, проводят эксперимент, строят кривые охлаждения и переносят их на диаграмму.

ДИАГРАММА состояния сплавов, образующих

НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Условием неограниченной растворимости одного компонента в другом является одинаковый тип решетки и близкие размеры атомов и свойств металла.

Неограниченной растворимостью в твердом состоянии обладают системы : Fe- Cr, Fe- V, Cu-Ni

Рассмотрим диаграмму состояния Cu-Ni

Крайние точки на оси концентраций соответствуют чистым компонентам меди и никелю. Строим кривые охлаждения для чистой меди, чистого никеля. И кривые охлаждения промежуточного состава, например 60% Си и 40% Ni (для построения диаграмм строят множество кривых).

Рис.14. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью.( Учебник, стр. 35, рис.4.5.)

Рисунок на доске

Плавление чистых металлов протекает при постоянной температуре – на кривой охлаждения – горизонтальная площадка. Проецируем эти точки на диаграмму. При кристаллизации сплавов (в нашем примере 60% меди и 40% никеля) имеются две критические точки 1 и2, указывающие на то, что эти сплавы затвердевают в интервале температур с образованием твердого раствора. Линия начала затвердевания сплава А1В – называется линией ЛИКВИДУСА, линия конца затвердевания А2В – линия СОЛИДУСА.

Рассмотрим процесс кристаллизации по этой диаграмме, например, для сплава 70% меди и 30% никеля при очень медленном охлаждении, т .е. в равновесных условиях. Под равновесным состоянием понимают такое, при котором закончились химические реакции между компонентами, уравновесились диффузионные процессы, температура во всем объеме одинаковая. Проведем прямую I-I согласно заданной концентрации. При охлаждении сплава до температуры точки t л – сплав находится в жидком состоянии. При температуре t л начинается кристаллизация, и образуются первые кристаллы твердого раствора. Между точками t л и t с система состоит из жидкой фазы и кристаллов твердого раствора. При достижении температуры t с сплав полностью затвердевает и состоит из однородных кристаллов твердого раствора никеля в меди (т.к. никеля в данном растворе меньше)

ДИАГРАММА состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (т.е. образующих МЕХАНИЧЕСКИЕ СМЕСИ)

Рассмотрим данную диаграмму на примере системы свинец – сурьма . свинец и сурьма обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются друг в друге.

Для чистых Pb и Sb на кривых охлаждения имеется одна критическая точка (горизонтальная площадка). Для сплава 87% Pb и13% Sb горизонтальная площадка (т.е. тоже одна точка - 246градусов) является температурой затвердевания данного сплава с образованием механической смеси кристаллов Pb и Sb. Такая механическая смесь, образовавшаяся из жидкой фазы называется ЭВТЕКТИКОЙ (эвтектика с греч. –легкоплавящийся), температура – эвтектической. Состав сплава 87% Pb и13% Sb – ЭВТЕКТИЧЕСКИМ.. Для других сплавов на кривых охлаждения имеются две критические точки, указывающие на то, что эти сплавы кристаллизуются в интервале температур. Температура конца затвердевания не зависит от состава и одинакова для всех сплавов (246градусов) – эвтектическая температура. АСВ – линия ликвидуса – начало затвердевания; ДСЕ –линия конца затвердевания – линия солидуса.

Рис.15. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью.( Учебник, стр. 33, рис.4.3.)

ХАРАКТЕРНЫМ для данной системы является то, что сплавы любого состава окончательно затвердевают только в том случае, если они имеют эвтектический состав 87% Pb и13% Sb.

В различных по составу сплавах свинец-сурьма по сравнению с эвтектическим сплавом имеется избыток или свинца или сурьмы. Поэтому в сплаве, например, 95% Pb и 5% Sb, имеющем больше свинца, чем в эвтектическом (87%) в интервале температур от точки 1 до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристаллы Pb до тех пор, пока состав не станет эвтектическим и затвердеет при эвтектической температуре с образованием эвтектики (механическая смесь свинца и сурьмы). Так как до кристаллизации эвтектики выделяются кристаллы свинца, то после окончательного затвердевания получаем структуру свинец + эвтектика. Аналогично – при кристаллизации сплава с содержанием сурьмы больше эвтектического состава (13%). Сплавы, находящиеся левее точки С – доэвтектические (структура Pb+ эвтектика (Pb и Sb)), правее- заэвтектические и имеет структуру Sb + эвтектика.

ДИАГРАММА состояния сплавов для случая ОГРАНИЧЕННОЙ

РАСТВОРИМОСТИ компонентов в твердом состоянии.

Рис.16. Диагр. состояния сплавов для случая с ограниченной растворимостью.( Учебник, стр. 37, рис.4.6.)

Характерной особенностью является наличие ниже линии солидуса (т.е. для твердого состояния) линии ОГРНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТИ (SЕ). Линия SЕ показывает изменение растворимости компонента В в А в твердом состоянии при понижении температуры. Т.е. если кристаллизуется сплав состава левее точки S, то при любой температуре все количество компонента В находится в твердом растворе (В в А – как в случае неограниченной растворимости) - структура - α-твердый раствор (компонент В растворен в решетке компонента А).

Правее точки S (т.е. за пределом неограниченной растворимости). Чтобы проследить особенности, рассмотрим для примера процессы, происходящие при охлаждении, например, сплава I-I. В точке 2 сплав имеет структуру кристаллов α. При охлаждении до t3 структура не меняется. При t 3 линия I-I пересекает SЕ - линию предельной растворимости компонента В в А. Ниже этой температуры растворимость становится все меньше и меньше с понижением температуры. Все количество компонента В уже не может находиться в растворе. Часть компонента В выходит из раствора и образует отдельные кристаллы компонента В, называемые ВТОРИЧНЫМИ В2 . Процесс выделения вторичных кристаллов называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. В сплавах, лежащих правее точки Е, образуется эвтектика. Особенность ее в том, что она представляет смесь не кристаллов Аи В, с смесь кристаллов твердого раствора α и кристаллов компонента В.

ДИАГРАММА состояния сплавов, где компоненты образуют ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ.

Рис.17. Диаграмма состояния сплавов , где компоненты образуют химич. соединение. Учебник , стр. 38, рис.4.7.)

Состав химического соединения является постоянным АmВn. Диаграмма как бы составлена из двух диаграмм для случая механической смеси. Левее точки С, соответствующей химическому соединению АmВn содержание компонента А больше, чем входит в химическое соединение, следовательно образуется механическая смесь кристаллов А + АmВn. Правее точки С –

АmВn + В. В левой части образуется эвтектика А + АmВn , в правой – эвтектика В + АmВn.

СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ И ТИПОМ ДИАГРАММЫ

- с увеличением расстояния между ликвидусом и солидусом увеличивается склонность сплава к ликвации, образованию трещин в отливках. У сплавов эвтектического состава лучшие литейные свойства, а также они имеют лучшую обрабатываемость резанием.

- сплавы, состоящие из однофазного твердого раствора лучше деформируются как в горячем , так и в холодном состоянии.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Железоуглеродистые сплавы - это стали и чугуны. Железо может находиться в двух аллотропических формах (α-Fе – решетка ОЦК, γ-Fе – ГЦК). Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения (феррит и аустенит) и химическое соединение - цементит. Углерод также может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Существует две диаграммы состояния: Fе- Fе3С и Fе-С .

ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ

* Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

**Перлит – «перламутровый», светлый.

Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить ре жимы термической обработки для изменения свойств сталей.

Рис. 18. Диаграмма состояния железо – цементит (Fе – Fе3С). Учебник, стр. 80, рис. 7.2.

Критические точки и линии на диаграмме:

т.А (1539 ^о С, 100% Fе)- температура плавления железа;

т.D (~ 1600 ^о С, 6,67%С) – температура плавления цементита;

т.С (1147 ^о С, 4,3%С) – точка эвтектического превращения жидкого сплава в ледебурит;

т.Е (1147 ^о С,2,14%С) – точка предельной растворимости углерода в аустените;

т. G (911 ^о С, 100% Fе) – точка полиморфного превращения α- Fе в γ- Fе;

т. S (727 ^оС, 0,8% С) - точка эвтектоидного превращения аустенита в перлит;

АСD – линия ликвидуса (начало затвердевания);

АЕСF – линия солидуса (конец затвердевания);

ЕСF – линия эвтектического превращения;

РSК – линия эвтектоидного превращения;

Сплавы железа с углеродом до 0,02% - называются техническим железом;

Сплавы железа с углеродом 0,02-2,14 % - называются сталями;

Сплавы железа с углеродом 2,14- 6,67% - чугуны.

Линии GSЕ, РSК, РQ характеризуют превращения в твердом состоянии:

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит;

Линия SЕ показывает, что с понижением температуры растворение углерода в аустените уменьшается с 2,14% при 1147 ^оС до 0,8% при 727 ^оС, избыточный углерод выделяется в видецементита вторичного(первичный цементит выделяется из жидкогосплава).

Линия РSК(727 ^оС) эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается с образованием перлита(механическая смесь феррит + цементит).

Сталь с содержанием 0,8 % углерода имеет структуру перлитаи называетсяэвтектоидной сталью;

Менее 0,8 % углерода – имеет структуру перлит + феррит и называются доэвтектоидными;

От 0,8 до 2,14% - перлит + цементит вторичный – заэвтектоидныестали;

Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим. ровно 4,3% - эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С - заэвтектическим.

СТАЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА

Сталями называют сплавы железа с углеродом ( и другими элементами) с содержанием углерода до 2,14 %.

На практике , в основном применяют стали с содержанием углерода до 1,5%.

Стали являются наиболее распространенными материалами.. Они обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием. Для производства отливок используются стали с содержанием углерода не более 0,4%.

Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их химический состав и вид термообработки. Стали подразделяются на углеродистые и легированные.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали имеют в своем составе железо , углерод и некоторое количество так называемых постоянных примесей: марганец, кремний, сера, фосфор ,а также газы: азот, водород и кислород..

марганец – до 0,8%,

кремний – до 04%, десятые доли

сера – до 0,05 %

фосфора – до 0,045% сотые доли

Наличие примесей и газов в сталях обусловлено технологией получения стали.

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей. УГЛЕРОД оказывает основное влияние на свойства сталей

С увеличением содержания углерода твердость и прочность увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются. (т.к. с ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита – вспомним их свойства- феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердостью).

При содержании в стали порядка 0,9 % углерода – прочность максимальная; при большем содержании углерода, прочность уменьшается т.к. в структуре появляется цементит вторичный в виде сетки по границам зерен и охрупчивает сталь.

ПРИМЕСИ подразделяются на вредные и полезные . Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства, стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также - случайные при меси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний – полезные примеси. Они являются раскислителями, их добавляют в сталь при выплавке стали для удаления оксидов. Сера и фосфор являются вредными примесями .

Марганец (Мn )–содержание его в стали 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний (Si)- содержание его в стали до 0,4%, оказывает упрочняющее действие.

СЕРА (S) вызывает КРАСНОЛОМКОСТЬ стали, т.е. хрупкость при горячей обработке давлением. Красноломкость связана с наличием сульфидов FеS, которые образуют с железом эвтектику , отличающуюся низкой температурой плавления ( 988 градусов) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается . Для устранения красноломкости, содержание серы д.быть минимальным. От красноломкости сталь предохраняет марганец, т.к. марганец образует с серой сульфид МnS и тем самым исключает образование легкоплавкой эвтектики.

ФОСФОР (Р) вызывает хладноломкость –это снижение вязкости по мере понижения температуры . Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % повышает порог хладноломкости на 25 градусов.

КИСЛОРОД, АЗОТ и ВОДОРОД – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

При наличии большого количества в стали водорода возникает опасный дефект внутренние надрывы – ФЛОКЕНЫ.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирующие элементы (л.э.) для получения заданных свойств : хром, никель, вольфрам и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют легированной.

Основные л.э.: хром, никель. бор, марганец, титан, молибден, ванадий, вольфрам, кремний…

Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако, никель является дефицитным, и применение таких сталей ограниченно. Значительное количество никеля можно заменить медью.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Стали классифицируются по множеству признаков. Разберем наиважнейшие.

1. По химическому составу: углеродистые и легированные

2. По содержанию углерода :

- низкоуглеродистые - - до 0,25% углерода;

- среднеуглеродистые - 0,3-0,6% углерода;

- высокоуглеродистые - свыше 0,7%.

3. По равновесной структуре : доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

4. По качеству:

обыкновенного качества должны содержать не более 0,045% Р и 0,05% S,

качественные- не более 0,035% Р и 0,04% S,

высококачественные - не более 0,025% Р и 0,025% S

и особовысококачественные - не более 0,025% Р и 0,015% S.

5. По назначению :

- конструкционные –для изготовления деталей машин и механизмов;

- инструментальные – для различных инструментов;

- стали с особыми свойствами.

МАРКИРОВКА

Углеродистые стали обыкновенного качества

Группа А (поставляется по мех. свойствам)

Ст0, Ст1… Ст6

→прочность ↑, пластичность ↓

Группа Б (поставка с гарантированным химическим составом)

БСт0, БСт1…БСт6

→ ↑ процент углерода

Группа В (гарантированные мех. свойства и хим. состав)

ВСт1, ВСт2… ВСт5

Мех. свойства соответствуют группе А аналогичных марок, а хим. состав – группе Б.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали _ кп-кипящая, сп- спокойная, пс – полуспокойная.

Цифры от0 до 6 – условный номер марки.

Пример : Ст.2кп – сталь обыкновенного качества, группы А, т.е. поставляется по мех. свойствам, кипящая –степень раскисленности.

КАЧЕСТВЕННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Эти стали по сравнению со сталями обыкновенного качества содержат меньше вредных примесей (серы и фосфора) и газов. Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Степень раскисленности, в основном, спокойная, поэтому индекс СП не ставится.

Маркируются двухзначным числом, которое указывает среднее содержание углерода в СОТЫХ долях процента (слово сталь пишется полностью или отсутствует).

Сталь 08кп, сталь 10пс, сталь 45 – содержание углерода -0,08 ; 0,1; 0,45 %

Пример: Сталь 20- углеродистая качественная сталь с содержанием углерода 0,2 % , спокойная.

КАЧЕСТВЕННЫЕ И ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Обозначение буквенно-цифровое : 30ХГСА, 18Х2Н4МА, 40Х

В начале обозначения - двухзначное число показывает содержание углерода в сотых долях процента. Далее легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита. Цифры , следующие за буквой , показывают его содержание в целыхпроцентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. Буква А в конце марки указывает, что сталь высококачественная, Ш - особовысококачественная

Обозначение легирующих элементов :

Х-хром, Н- никель, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий , К –кобальт, Т- титан, Г – марганец, Д- медь, С –кремний, Р –бор, Б- ниобий, Ц –цирконий, Ю –алюминий.

Пример : 12Х18Н10Т – легированная качественная сталь, содержащая приблизительно 0,12 % углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1,5% титана.

Маркировку инструментальных и шарикоподшипниковых сталей будем рассматривать позже (у них особая маркировка).

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5—4,5%. В качестве примесей, чугун содержит Si, Мn, S и Р.

Углерод в чугунах может находиться: 1 – в связанном состоянии в виде цементита (диаграмма железо-цементит) – такие сплавы называются белыми чугунами (излом таких чугунов имеет белый цвет) – используются как сырье для производства сталей;

2 - в свободном состоянии в виде графита - это серые (излом серого цвета), высокопрочные и ковкие чугуны, кристаллизация проходит в соответствии с диаграммой железо – графит (линии на диаграмме железо – графит находятся несколько выше и левее, чем на железо-цементит.

Кристаллизация в соответствии с диаграммой железо- графит протекает только :

- при очень медленном охлаждении;

- при наличии графитизирующих добавок (кремний, никель) На практике , в реальных условиях получают чугуны, в структуре которых имеется и графит, и цементит, т.е. часть углерода в свободном, а часть в связанном состоянии(например, толстостенные части отливки охлаждаются медленнее, что способствует графитизации).

СЕРЫЙ чугун – сплав, в котором большая часть углерода находится в виде графита. Форма графита – пластинчатая. Графит имеет практически нулевую прочность, поэтому полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты. Серый чугун имеет низкие механические свойства при испытаниях на растяжение и более высокие при испытаниях на сжатие.

Чугуны с углеродом в виде графита имеют высокую износостойкость (графит выкрашивается и действует как смазка при трении), хорошо гасят вибрацию, обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием (графит обеспечивает ломкость стружки при точении, фрезеровании, сверлении…). Чугуны дешевле сталей.

Маркируетсясерый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности: в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет б_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, .., СЧ 45. Применение: станины корпуса, крышки , маховики…

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ чугун – то же, что и серый, но форма графита - шаровидная. Получают их из серых путем модифицирования, т.е. введением добавок( чаще магния, церия). Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях МПа Например, чугун ВЧ 60 имеет б_в= 600МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Механические свойства повышаются за счет того, что шаровидная форма графита меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с серыми чугунами. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов…

КОВКИЙ чугун – форма графита хлопьевидная . Получают длительным отжигом (выдержка в печи при высокой температуре) белого чугуна – при высоких температурах цементит разлагается на аустенит и графит. Ковкий – это условное название. Его не куют, но по сравнению с серым, он достаточно пластичен, также за счет формы графита. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами показывающими предел прочности в десятых долях МПа и относительное удлинение в %. Так чугун КЧ 45-7 имеет б_в= 450 МПа и δ=7 %. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Рис19. Фор