232

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Лекция

Производство и промышленные технологии

Типы кристаллических решеток у металлов. Основные структурные составляющие сплавов. Превращения на линиях диаграммы при нагревании и охлаждении. Диаграмма распада аустенита при непрерывном охлаждении. Основные виды термической обработки стали.

Русский

2012-11-14

351 KB

87 чел.

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра «Конструкционные материалы и специальные технологии»

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Конспект лекций для специальностей 190701 Организация перевозок и управление на транспорте,190702 Организация и безопасность движения

Омск

2007


Лекция № 1

Введение

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Знание свойств материалов позволяет наиболее успешно их использовать, поэтому это – конечная цель технического материаловедения. Свойства зависят от состава металла и его состояния. В свою очередь состав и состояние металла обуславливают его структуру.

Структура – порядок расположения атомов или молекул, а затем их группировка в более крупные скопления, называемые кристаллическими образованиями. Поэтому различают микро- и макроструктуру.

Типы кристаллических решеток у металлов

Металлы – кристаллические тела (положение атомов в пространстве упорядочено). Наименьшая часть кристаллической решетки называется элементарной ячейкой и представляет собой куб, шестигранную призму или другое геометрическое тело, в вершинах которого располагаются атомы металла. Многократно повторяясь, ячейки образуют кристаллическое зерно. Ориентировка ячеек в пределах одного зерна одинакова, а в соседних зернах различна. Размер зерен может быть от 1 мкм и более (до 10000 мкм).

Существует 7 разновидностей кристаллических решеток, но для металлов наиболее характерны следующие:

1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК).

Это наиболее простой тип. 8 атомов образуют куб, девятый атом находится в центре объема куба на пересечении диагоналей.

п.: Fe, Cr, V, Mo, W.

В такой решетке атомы упакованы недостаточно плотно. Стремление атомов занять места наиболее близкие друг к другу приводит к образованию решеток других типов.

2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК).

8 атомов образуют куб, 6 атомов расположены в центре каждой из граней куба.

п.: Fe, Al, Cu, Ni, Pb.

3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

12 атомов образуют шестигранную призму. 2 атома расположены в основаниях призмы, и еще 3 – внутри призмы.

п.: Mg, Zn, Cd (кадмий), Be (бериллий).

Прочность металла зависит от плотности упаковки кристаллической решетки и особенностей строения электронных оболочек атомов.

В свою очередь плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки и расстоянием между ними.

Всем монокристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств в различных направлениях, поскольку число атомов на разных направлениях различно.

п.: Если медный шар-монокристалл нагреть, то он превратится в эллипсоид (вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным направлениям).

Однако реальные металлы состоят из множества зерен, поэтому являются телами псевдоизотропными.

Опр. Полиморфизм (аллотропия) – способность некоторых металлов изменять кристаллическую решетку в зависимости от температуры и давления.

п.: железо при t<910 0С имеет решетку ОЦК (Fe), при 910 0С< t<1400 0С имеет решетку ГЦК (Fe), при 1400 0С< t решетка снова ОЦК (Fe).

Дефекты кристаллических решеток: точечные, дислокации

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от идеальных вследствие наличия дефектов. Так, фактическая прочность металлов на 2–3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладает совершенно бездефектный металл.

Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их образование связано с диффузионным (тепловым) движением атомов и присутствием примесей, искажающих кристаллическую решетку. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы, кинетическая энергия которых значительно выше среднего, выходят в междоузлия (дислоцированные атомы). Образовавшееся в узле свободное место называется «дыркой» или вакансией. Точечные дефекты искажают решетку на 5–6 периодов. Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, до тех пор, пока не выходят на поверхность кристалла. Чем выше температура, тем больше дырок, и меньше времени вакансия находится в узле решетки. Число дислоцированных атомов не равно числу вакансий, так как они образуются независимо друг от друга.

Точечные дефекты образуются также примесными атомами, которые могут располагаться в узлах кристаллической решетки основного элемента (твердый раствор замещения) или в междоузлиях (твердый раствор внедрения). В любом случае чужеродные атомы вызывают искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты, которые имеют протяженность в одном измерении и малы в двух других, называют также дислокациями.

Опр. Дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Краевая дислокация – наиболее распространенный вид.

Все атомные плоскости полные, а полуплоскость АВ обрывается внутри решетки. Линию крайних атомов в этой полуплоскости АВ и принято называть дислокацией.

Если нагрузить силой P идеальную решетку без дефектов, то возникающие касательные напряжения стремятся разорвать одновременно все межатомные связи в плоскости сдвига S – S, что требует большой силы.

При наличии в плоскости сдвига дислокации, достаточно разорвать всего одну межатомную связь (рис.) в результате чего дислокация начнет перемещаться, пока не выйдет на границу зерна в виде ступени. Это потребует небольшого напряжения (на несколько порядков ниже, чем для бездефектного металла). По мере выхода на границу зерна новых дислокаций ступенька растет, превращаясь в зародыш сдвига, а затем и микротрещины. Так происходит пластическая деформация металла и его разрушение.

Вывод: прочность металлов может быть повышена или устранением дислокаций в кристаллах, или повышением сопротивления их движению.

Вторая возможность реализуется введением специальных примесей, препятствующих движению дислокаций (очень мелкие, твердые частицы карбидов, нитридов, интерметаллидов – стопоры) а также термообработкой, холодной деформацией.

График зависимости прочности металла от плотности дислокаций:

А – прочность бездефектного металла (теоретическая прочность); В – прочность т. н. «чистых» металлов. На участке АВ по мере увеличения плотности дислокаций прочность снижается. На участке ВС по мере дальнейшего увеличения плотности дислокаций прочность постепенно растет. Перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что при большом их количестве они мешают перемещению друг друга.

Увеличения числа дефектов достигают введением легирующих примесей, термообработкой, холодной деформацией.

Поверхностные дефекты возникают вследствие неправильной формы границ отдельных кристаллов, различной ориентации осей в смежных кристаллах. Поэтому границы между зернами – это скопления дислокаций. Чем мельче зерна сплава, тем больше суммарная площадь границ, больше дислокаций и выше прочность сплава.

Лекция № 2

Первичная кристаллизация сплавов

Процесс образования кристаллов из жидкости принято называть первичной кристаллизацией.

Начало образования кристаллов при охлаждении жидкого металла легко заметить, наблюдая так называемые кривые охлаждения (изменение температуры сплава во времени при его охлаждении). Для их построения используется прибор пирометр термоэлектрический, в котором имеется термопара и милливольтметр. Спай термопары погружается в расплав. Температура будет пропорциональна величине термотока.

Температура T, при которой совершается превращение из жидкого состояния в твердое, называется критической точкой.

Подобную же критическую точку можно получить и при нагревании, когда металл будет плавиться. Это пример обратимого превращения, которое при одной и той же температуре может совершаться в ту или другую сторону, в зависимости от того, идет процесс нагрева или охлаждения.

Вопрос: почему при температурах больших T состояние сплава жидкое, при меньших – твердое, и превращение происходит именно при T?

Ответ: В природе все самопроизвольно протекающие превращения, в т. ч. плавления и кристаллизации, вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Любая система, будь то жидкость или твердое тело, характеризуется термодинамической функцией F – запасом свободной энергии, которая меняется с изменением температуры, но по разному для жидкого и твердого состояний.

При меньшем значении F система всегда более устойчива, и если есть возможность, стремится перейти в состояние, где F=min. Если при данной температуре Fж< Fтв, то термодинамически более выгодно и вероятно существование сплава в жидком состоянии.

При температуре Ts (теоретическая температура кристаллизации) свободные энергии жидкого и твердого состояния равны: Fж= Fтв. Однако, если охлаждать жидкость, то при Ts еще не происходит процесс кристаллизации. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы жидкость была переохлаждена несколько ниже Ts (достаточно очень незначительно), чтобы кристаллизация была термодинамически выгодной (F уменьшалась). То есть существует фактическая температура кристаллизации Tпер. По аналогии также обратное превращение в жидкость происходит с перегревом твердого тела несколько выше Ts.

То есть, приведенные выше рисунки были не совсем точные, более правильно кривые нагрева и охлаждения изображать так:

Наличие горизонтальной площадки на кривой охлаждения объясняется тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой.

Факторы, влияющие на процесс кристаллизации

Процесс первичной кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый – зарождение мельчайших частиц (зародышей, центров кристаллизации). Второй – рост кристаллов из этих центров. Скорость процесса кристаллизации определяется двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов. Число зарождающихся в единицу времени кристаллов (Ч.Ц.) имеет размерность [1/мм3 сек]. Скорость роста кристаллов (С.К.) есть скорость увеличения линейных размеров кристалла в единицу времени, выраженная в [мм/сек].

Ч.Ц. и С.К. зависят от степени переохлаждения. Зависимость выражается кривыми с максимумом.

При теоретической температуре кристаллизации Ч.Ц. и С.К. равны нулю. С увеличением переохлаждения Ч.Ц. и С.К. растут, достигая максимума, и затем понижаются. Увеличение Ч.Ц. и С.К. при малых степенях переохлаждения обусловлено тем, что вблизи Ts подвижность жидкости велика и ускорение кристаллизации вызывается увеличением разности свободных энергий Fж– Fтв. Снижение Ч.Ц. и С.К. при больших степенях переохлаждения вызвано тем, что при низких температурах подвижность атомов уменьшена, и уменьшена способность системы к превращению. При очень низких температурах подвижность атомов может быть вообще недостаточна для перестройки их расположения из хаотического в упорядоченное.

Чем сильнее переохлаждение, тем больше возникает центров кристаллизации и тем мельче зерно. Проследить эту закономерность на практике трудно, т. к. трудно уловить температуру переохлаждения. Проще это проверить, связав переохлаждение со скоростью охлаждения. Тогда можно сказать, что с увеличением скорости охлаждения зерно становятся мельче. Такое явление наблюдается на практике, но не всегда. Зачастую самопроизвольное образование центров кристаллизации менее важно при затвердевании сплава, чем присутствие нерастворимых мельчайших посторонних частиц. Они также служат центрами кристаллизации. Поэтому, на практике число зародышей может не соответствовать кривой Ч.Ц., отвечающей самопроизвольному возникновению центров.

Вторичная кристаллизация

Получение мелкого зерна из крупного термическим способом, т. е. путем нагрева и охлаждения в твердом состоянии, возможно только в металлах, склонных к аллотропическому превращению (переход от одного типа кристаллической решетки к другому). Каждый вид решетки представляет аллотропическое видоизменение (фазу). Каждая модификация имеет свой интервал температур, при котором она устойчива. Переход из одной фазы в другую наблюдается при определенной температуре. Эта точка перехода аналогична точке затвердевания (плавления), т. к. отвечает определенной температуре, сопровождается тепловым эффектом и является моментом перехода в новое состояние, т. е. образование новых кристаллов из кристаллов прежней модификации. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией.

п.: Превращения в железе. В железе существуют несколько аллотропических превращений. Из них наибольшее практическое значение имеет превращение при 910 0С, отвечающее переходу    при охлаждении. Сущность этого превращения заключается в том, что атомы решетки -железа (гранецентрированный куб) перегруппируются в решетку объемно-центрированного куба -железа, что сопровождается изменением внешней формы зерен – кристаллов, т. е. имеет место перекристаллизация. При 768 0С получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств. Выше 768 0С -железо немагнитно.

Аллотропические превращения имеют многие металлы: Co, Ti, Mn и др.

Опр.: Изменение формы и типа решетки кристаллов при аллотропических превращениях, происходящих в твердом металле, называется вторичной кристаллизацией.

Лекция № 3

Строение кристаллического слитка

Рассмотрим наиболее часто наблюдаемый вид структуры, когда отливается жидкий металл в вертикальную форму или изложницу с холодными стенками.

1 зона – мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных легких кристаллов дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации.

Для железного сплава для первой зоны tж=1450 0С; tстенки=20 0С; t=1450 – 20 = 1430 0С (много центров). Для второй зоны tж=1450 0С; t1зоны1400 0С; t=1450 – 1400 = 50 0С (мало центров).

2 зона – зона столбчатых кристаллов. После образования корки условия теплоотвода меняются (из-за корки), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается, и следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы. Прорастание длинными кристаллами толщи слитка называется транскристаллизацией.

3 зона – зона больших равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура успевает выравниваться в различных точках зоны и в жидкости по всему объему возникают центры кристаллизации. Охлаждение медленное, поэтому структура – большие равноосные зерна.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию в верхней части пустоты – усадочной раковины. В верхней части слитка металл рыхлый, поскольку пронизан газовыми порами и примесями. Эта дефектная часть слитка подлежит удалению.

Кристаллы различают 2-х видов. В первом случае внешняя форма не представляет геометрической правильности, чаще принимает округлые очертания. Это кристаллы – зерна. В другом случае кристаллические образования имеют ветвистую форму с незаполненными промежутками, напоминающую дерево – дендриты.

Основные структурные составляющие сплавов

Сплавы – сложные вещества, полученные сплавлением или спеканием двух и более простых веществ, называемых компонентами. Сплавы, содержащие только два компонента, называют двойными.

Компонентами могут быть чистые элементы, а также устойчивые химические соединения.

После затвердевания компоненты, входящие в сплав, могут образовывать: 1) твердые растворы; 2) химические соединения; 3) механические смеси зерен.

1. Твердым раствором называется сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя, причем пропорции растворимого и растворителя могут меняться без нарушения однородности. Существует два типа твердых растворов: а) замещения; б) внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Растворы замещения образуются при следующих условиях: - близость расположения металлов в периодической системе, то есть сходное строение электронных оболочек; - близость атомных размеров (разница не более 8%); - подобие кристаллических решеток; - близость температур плавления.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента размещаются в междоузлии ячейки кристаллической решетки, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки. Растворы внедрения обычно образуются при растворении неметаллов с малыми атомными диаметрами. Образование твердого раствора внедрения сопровождается увеличением параметра кристаллической решетки растворителя.

2. Химические соединения имеют строго определенный состав. Они обычно отличаются высокой твердостью и хрупкостью вследствие сложности их кристаллической решетки, которая отлична от решеток обоих компонентов.

Если химические соединения в сплавах оказываются стойкими веществами, не распадающимися при нагреве вплоть до температуры плавления, то их принято рассматривать как самостоятельные компоненты, способные образовывать сплавы с компонентами сплава.

3. Механические смеси состоят из практически чистых зерен обоих компонентов, нерастворимых и не образующих химсоединений.

Механическая смесь, образуемая из твердого раствора, называется эвтектоидом, а из жидкого раствора – эвтектикой.

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях. В металлических сплавах (системах) внешними факторами, влияющими на состояние системы, являются температура и давление. Внутренними переменными факторами – концентрация. Равновесие означает, что при неизменных внешних условиях в металлических сплавах сохраняются неизменными число и состав фаз, что все превращения совершаются обратимо.

Фазой называется однородная по химсоставу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно меняются химсостав, агрегатное состояние или кристаллическая структура. Фазами могут быть чистые металлы и неметаллы, их аллотропические модификации, химсоединения, жидкие и твердые растворы.

п.: лед, вода и пар являются различными фазами простой системы, состоящей из одного компонента – Н2О.

Эвтектики и эвтектоиды, как неоднородные части сплавов, обычно состоят из двух и более фаз.

Существует правило фаз, которое устанавливает зависимость: какое количество фаз может одновременно существовать в сплаве в условиях его равновесия в зависимости от его состава и от температуры и давления. Оно выражено следующей формулой:

Ф=К+2, где Ф – число существующих фаз; К – число компонентов; 2 – число переменных внешних факторов равновесия (давление и температура). Если давление постоянно, то используется формула Ф=К+1. Таким образом, число фаз, одновременно существующих в двойных системах, не может быть более 3: Ф=2+1=3. Если число фаз больше, то можно быть уверенным, что сплав не находится в термодинамическом равновесии. Если меньше 3, то сплав может быть в равновесном состоянии. При наличии трех фаз все факторы равновесия (температура, состав) являются определенными и неизменными: мы не сможем произвести изменения какого-либо из этих факторов, и сохранить те же 3 фазы. Такое равновесие называется неизменяемым, безвариантным. В этом случае говорят, что система имеет нулевую степень свободы, понимая под последней возможность изменения какого-либо фактора равновесия при сохранении того же числа фаз. Если степень свободы обозначить через С, то правило фаз в сплавах выражается С=К+1–Ф (при постоянном давлении). Из правила фаз следует, что в случае наличия в сплаве двух фаз, степень свободы будет С=1, и равновесие будет сохраняться при произвольном изменении только одного фактора равновесия.

Лекция № 4

Диаграмма состояния Fe–Fe3C

Максимальное содержание углерода на диаграмме 6,67 %. Такое количество углерода содержится в цементите Fe3C. Все применяемые в технике сплавы по своему составу укладываются в эти пределы.

Диаграмма железо-цементит служит:

а) для определения структур сталей в равновесном состоянии в зависимости от содержания углерода и температуры,

б) для определения температуры термической обработки стали,

в) для определения температуры горячей обработки стали давлением,

г) для определения растворимости углерода в аустените и феррите углеродистой стали,

д) для определения концентраций и весового соотношения фаз в сталях и чугунах при различной температуре.

Компоненты системы Fe–Fe3C:

1) Железо – металл с =7,8 г/см3 и Tпл=1539 0С. Имеет ряд аллотропических модификаций. При t<910 0С имеет решетку ОЦК (Fe), при 910 0С< t<1400 0С имеет решетку ГЦК (Fe), приобретает большую вязкость, пластичность, больше растворяет углерода, при 1400 0С< t решетка снова ОЦК (Fe).

2) Углерод – неметалл. =2,5 г/см3 и Tпл=3500 0С. Имеет 3 модификации: алмаз, графит и уголь. В форме графита встречается только в серых чугунах, а во всех остальных железоуглеродистых сплавах – в виде твердых растворов внедрения в Fe и Fe, а также в виде химсоединения Fe3C.

Опр. Структура – картина строения металла, наблюдаемая под микроскопом. Структура может состоять из одной, а может из нескольких фаз.

Опр. Фаза – однородная часть структуры, имеющая границу раздела, при переходе через которую меняется химический состав и кристаллическая решетка.

Характеристика структурных составляющих:

1. Феррит – твердый раствор углерода в железе Fe. Твердость феррита HB 600 (МПа). Максимальная растворимость углерода в феррите – 0,025 % при 723 0С. Минимальная 0,008 % при комнатной температуре.

2. Аустенит – твердый раствор углерода в железе Fe. Немагнитен, вязок. Твердость аустенита HB 2000 (МПа). Растворимость углерода в аустените колеблется от 0,8 % при 727 0С до 2 % при 1130 0С.

3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом Fe3C. Обладает сложной орторомбической решеткой. Различают: первичный цементит Ц1. Он выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех сплавов, содержащих более 4,3 %С. Вторичный цементит Ц2 выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита у сплавов, содержащих более 0,8 %С в интервале температур 1130 – 727 0С. третичный цементит Ц3 выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих более 0,008 %С в интервале температур 727 – 0 0С. Твердость цементита HB 8000...9000 (МПа). Цементит (Fe3C) имеет постоянное количество углерода: 6,67 % С.

4. Перлит – эвтектоидная механическая смесь из двух фаз: феррита и цементита, которая образуется при распаде  аустенита определенного состава (0,8 % С). Поэтому перлит содержит постоянное количество углерода и имеет твердость HB 2200 (МПа). После травления поверхность имеет перламутровый блеск. По форме цементита перлит может быть пластинчатый и зернистый. Чем крупнее цементитные участки, тем ниже механические свойства.

5. Ледебурит – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 0С или смесь перлита и цементита при температуре ниже 727 0С. Ледебурит образуется из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С. Ледебурит имеет постоянное количество углерода (4,3 % С) и твердость по Бринеллю HB 6000...7000 (МПа).

Однородными частями структур (фазами) на диаграмме состояния Fe – Fe3C являются жидкие и твердые растворы, химические соединения (Fe3C). Перлит и ледебурит не могут быть фазами, так как они неоднородны. Фазы определяются из структуры.

Превращения на линиях диаграммы при нагревании и охлаждении

Превращения на линиях диаграммы определяются путем сравнения структур выше и ниже линии, если рассматривают процесс охлаждения. Например, что происходит на линии BC при охлаждении? Из диаграммы видно, что выше линии BC структура жидкая, а ниже линии – жидкость и аустенит. Следовательно, жидкость превращается в аустенит. Рассмотрим превращения на линии PS при охлаждении. Выше линии PS структура Ау + Ф, ниже линии PS структура П + Ф. Сравнивая эти структуры делаем вывод: на линии PS при охлаждении аустенит превращается в перлит. Аналогичным образом определяются превращения на других линиях диаграммы состояния.

На линии CD: Ж  Ц1. На линии BE: Жост  Ау. На линии ECF: Жост  Л(Ау+Ц).  На линии  PSK: Ау  П. На линии SE: Ау  Ц2. На линии PG: Ау  Ф. На линии PQ: Ф  Ц3.

Ц1, Ц2, Ц3 – цементит, который выделяется в различные температурные интервалы. Жост – остаточная жидкость (жидкий раствор углерода в железе).

Правило концентраций и отрезков

Для того, чтобы у сплава заданного состава (например, 5 % С) при заданной температуре (например, 800 0С) определить концентрацию фаз и их весовое соотношение, необходимо через точку пересечения состава сплава и температуры (точка «о» на диагр.) провести горизонталь влево и вправо до ближайших линий фаз на диаграмме состояния. Точки пересечения укажут концентрацию фаз, а отрезки будут обратно пропорциональны весу фаз.

В точке «о» структура сплава (5 %С, t = 800 0С) – ледебурит и цементит. Из структуры определяем фазы: аустенит и цементит. Для определения содержания углерода в фазе аустенита данного сплава через точку «о» проведем горизонталь влево до пересечения с линией SE фазы аустенита на диаграмме. Точка пересечения «а» укажет содержание углерода в аустените (0,9 % С). Для определения содержания углерода в цементите через точку «о» вправо проводим горизонталь до пересечения с линией цементита (DFK). Точка пересечения «в» укажет концентрацию углерода в цементите (6,67 % С).

Для определения весового соотношения фаз необходимо воспроизвести указанные отрезки (рис. 2).

Соотношение величин отрезков будет обратно пропорционально соотношению весовых долей фаз. То есть, отрезок «ов», прилегающий к фазе цементита, будет пропорционален весу аустенита. Отрезок «ао» будет пропорционален весу цементита.

.

Таким образом, вес аустенита PАу составляет 0,4 веса цементита PЦ.

Лекция № 5

Классификация углеродистых сталей

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий менее 2,14 % С. Это основной металлический материал для изготовления деталей машин.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (<0,3 %С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7 %С) и высокоуглеродистые (>0,7 %С). Чем больше углерода в стали (до 0,8 % С) тем больше в ней перлита, меньше феррита. Перлит тверже феррита. Поэтому, с увеличением углерода в стали, растет ее твердость, прочность, но падает пластичность, вязкость.

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали – основная группа для изготовления строительных конструкций и деталей машин. К ним относятся цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные стали. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0С) деформирования.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Однородность химического состава, строения и свойств стали, прежде всего механических и технологических, во многом зависит от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей –серы и фосфора. Содержание газов определить трудно, поэтому на практике нормы содержания серы и фосфора определяют качество стали. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 %S и 0,07 %P, высококачественные – не более 0,025 % каждой примеси.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода (обычно добавляют марганец), проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. Спокойные стали содержат мало кислорода и затвердевают без газовыделения. Кипящие стали наоборот, при затвердевании выделяют кислород в виде пузырьков газа СО. В них повышено количество газовых примесей, но они более дешевые.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: 1) доэвтектоидные (структура: феррит + перлит); 2) эвтектоидные (перлит); 3) заэвтектоидные (перлит + цементит вторичный).

       С<0,006 %              С<0,8 %               С=0,8 %               С>0,8 %              С>0,8 %

Чугуны

Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С. Чугун выплавляют в доменных печах и используют либо для дальнейшей выплавки стали, либо для непосредственного получения отливок деталей машин.

1. Белые чугуны. Называются так потому, что излом образца белый из-за повышенного количества в нем цементита.

Структура представлена на диаграмме состояния Fe – Fe3C и зависит от содержания углерода. Могут быть доэвтектические (П+Л), эвтектические (Л, С=4,3%), и заэвтектические (Ц1+Л) белые чугуны.

Белые чугуны получают медленным охлаждением расплава (Vохл < 10 0С/мин). Они имеют высокую твердость и в то же время низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому белые чугуны используются для получения стали, ковкого чугуна и как износостойкий материал.

2. Серые чугуны. Серые чугуны получили свое название из-за серого излома образца, вызванного наличием в сплаве графита. Их получают путем медленного охлаждения расплава (Vохл < 10 0С/мин). Чем больше углерода и кремния в чугуне, тем больше вероятность выделения из расплава графита. Маркируются серые чугуны: СЧ 15, СЧ 25, СЧ 40, СЧ 45. Цифры показывают предел прочности на растяжение в кгс/мм2. Структуры серых чугунов состоят из металлической основы и графита.

Металлическая основа серых чугунов имеет структуру: а) феррит; б) феррит и перлит; в) перлит. Неметаллическая часть состоит из графита пластинчатой формы. Из всех видов графита пластинчатая его форма обладает максимальной концентрацией напряжений, что придает серому чугуну низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому, из серых чугунов отливаются детали, работающие на статическую нагрузку (крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны, гильзы блока цилиндров, корпуса насосов и т. д.).

Снижая механические свойства серого чугуна, графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность серого чугуна к дефектам поверхности, поэтому усталостная прочность чугунных деталей соизмерима со стальными.

3. Высокопрочные чугуны. Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают, добавляя в расплав 0,02...0,08 % Mg, а также FeSi (для выделения графита из расплава) с последующим медленным охлаждением. Маркируются высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 80, ВЧ 120. Цифры показывают предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2. Структуры высокопрочных чугунов как и у серых, состоят из металлической основы (те же 3 варианта) и графита.

Из всех форм графита шаровидная форма создает наименьшую концентрацию напряжений. Поэтому, отливки из высокопрочных чугунов обладают более высокой прочностью и при этом некоторой пластичностью. Они способны воспринимать небольшие ударные и знакопеременные нагрузки (изготовляют прокатные валки, коленчатые валы, поршни и др. детали).

4. Ковкие чугуны. Ковкие чугуны не подвергаются ковке, это литейный материал. Слово «ковкий» подчеркивает повышенную пластичность и прочность ковких чугунов по сравнению с серыми чугунами. Этому способствует хлопьевидная форма графита, которая меньше влияет на механические свойства. Маркируются ковкие чугуны: КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 60-3, КЧ 80-1,5. Первая цифра показывает предел прочности материала в кгс/мм2, вторая – относительное удлинение в %. Структуры ковких чугунов как и у серых, состоят из металлической основы (те же 3 варианта) и графита хлопьевидной формы.

Изделия из ковкого чугуна получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна, содержащего 2,4...2,9 % С,  1,0...1,6 % Si,  0,2...1 % Mn, по специальному режиму.

Цель длительного отжига – разложить цементит на железо и углерод в виде графита хлопьевидной формы. Хлопьевидная форма графита создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с пластинчатой формой, поэтому пластичность и прочность ковких чугунов выше, чем у серых чугунов. Из ковких чугунов отливают детали, воспринимающие ударные и знакопеременные нагрузки.

Лекция № 6

Превращения в стали при равновесном (медленном) нагреве

При термообработке сталь нагревают до температур, при которых происходят аллотропические превращения, которые приводят к важным структурно-фазовым изменениям.

Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при 727 0С (линия PSK, обозначают Ас1). Перлит (ферритно-цементитная смесь) превращается в аустенит (твердый раствор внедрения углерода в Fe. При этой температуре аустенит содержит 0,8 %С независимо от количества последнего в стали. Поэтому, при нагреве до точки Ас1 доэвтектоидной стали происходит изменение структуры Ф0,02 + П0,8  Ф0,02 + А0,8. Для заэвтектоидной стали происходит изменение П0,8 + Ц6,67  А0,8 + Ц6,67.

Превращение П А – кристаллизационный процесс. Он протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста на границе между П и Ц (здесь наиболее вероятно образование участков, содержащих 0,8 %C). Состав аустенита отличается от состава Ф и Ц, из которых он образуется, поэтому превращение носит диффузионный характер и сопровождается перемещением атомов углерода на значительные расстояния. Необходима некоторая выдержка, чтобы процесс завершился. С увеличением температуры перегрева стали относительно точки Ас1 значительно возрастает скорость образования зародышей аустенита, и скорость их роста. Кроме того, скорость образования аустенита тем выше, чем дисперснее частицы цементита в перлите (т. к. возрастает площадь поверхности раздела между Ф и Ц).

При дальнейшем нагревании доэвтектоидной стали аустенит постепенно растворяет феррит, и при температуре Ас3 (линия SG на диаграмме) весь феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию в стали.

Рассмотрим, что происходит со доэвтектоидной сталью при нагреве. Были крупные зерна перлита и феррита. При нагреве до А1 перлит перекристаллизуется в аустенит. Решетка другая, при этом зерно всегда измельчается. Феррит остается таким же, как был. При А3 феррит перекристаллизуется в аустенит, также измельчаясь. При дальнейшем нагреве зерно сперва растет (перегрев), а затем при подходе к солидусу, покрывается пленкой оксидов (необратимый дефект «пережог»). То есть, если начать охлаждать с температуры чуть выше А1, зерно феррита так и будет крупным, а если с температуры чуть выше А3, все зерно измельчится.

П:

При нагревании заэвтектоидной стали аналогичное растворение происходит с избыточным цементитом, который полностью исчезает при температуре Асm (линия SE).

Зерно аустенита образуется при окончательном превращении П А. Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени, и скорости их роста. Чем дисперснее были частицы цементита в перлите, тем мельче начальное зерно аустенита. В начальный момент зарождения зерно аустенита очень мало, но с увеличением выдержки, а тем более при дальнейшем повышении температуры выше 727 0С, оно быстро растет.

У сталей одного состава, но выплавленных в разных плавках, может быть различная склонность к росту зерна аустенита при дальнейшем нагреве. Поэтому различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Это свойство зависит от характера раскисления стали и ее состава. Так, стали, раскисленные FeMn или (FeSi+FeMn) наследственно крупнозернистые, а стали, раскисленные Al – мелкозернистые.

Размер действительного зерна аустенита определяется температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве. Зерно, которое фактически наблюдается в сталях, называется действительным. Зерно, полученное при испытаниях на склонность к росту (нагрев до 930 0С и выдержка) называют наследственным.

Чем крупнее зерно аустенита, тем большими получаются зерна продуктов его распада (действительное зерно). В свою очередь, чем мельче действительное зерно, тем выше ударная вязкость стали. Твердость и прочность меняются очень незначительно. Крупнозернистая сталь лучше обрабатывается резанием, прокаливается, уменьшается сопротивление деформации при холодной штамповке.

Диаграмма распада аустенита при постоянной температуре.

Ниже температуры А1 аустенит неустойчив. ГЦК решетка аустенита должна бездиффузионно перестроиться в ОЦК решетку феррита, способную растворить намного меньше С (1 часть превращения). «Лишний» углерод должен диффузионно выйти из ОЦК решетки и образовать карбиды железа (2 часть превращения).

Представление о превращениях, которые претерпевает аустенит при различных степенях переохлаждения, дает диаграмма изотермического превращения (превращения, которое протекает при постоянной температуре) в координатах время – температура.

Для построения диаграммы небольшие образцы стали нагревают до аустенитной структуры, а затем быстро охлаждают до температуры ниже Аr1 (700...300 0С) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита. С помощью спец. прибора дилатометра фиксируется время начала (левая кривая) и конца (правая кривая) распада аустенита.

Превращения, происходящие с аустенитом выше 550 0С, существенно отличаются от происходящих ниже 550 0С.

Рассмотрим верхнюю область температур. В ней диффузионные процессы протекают достаточно эффективно. Поэтому аустенит успевает превратиться в смесь нормальных (равновесных) феррита и цементита: А Ф + Ц. Началу распада аустенита предшествует инкубационный период, при котором аустенит переохлажден (область левее кривой начала распада). С увеличением переохлаждения, устойчивость аустенита уменьшается, достигая минимума около 550 0С, что объясняется большей склонностью Fe к переходу в состояние с минимальной свободной энергией Fe. Время распада аустенита также уменьшается.

Таким образом, при снижении температуры изотермической выдержки, с одной стороны, ослабляется диффузия, с другой стороны, уменьшается время распада. Размер пластинок феррита и цементита по этим причинам уменьшается. Область температур выше 550 0С принято делить на три части, в каждой из которых образуются разные продукты распада. В верхней части образуется наиболее крупнопластинчатая, грубая смесь (Ф+Ц) с наименьшей твердостью. Ее называют собственно перлитом (П). В средней части сорбит (С) более мелкодисперсный и более твердый. В нижней части самая мелкодисперсная смесь тростит (Т) с еще большей твердостью.

При температурах ниже выступа 550 0С скорость диффузионных процессов недостаточна. Поэтому инкубационный период, при котором аустенит переохлажден, увеличивается. Также увеличивается и время распада. Бездиффузионный процесс перестройки ГЦК решетки в ОЦК совершается без особых трудностей и приводит к образованию пересыщенного твердого раствора углерода в Fe. Однако далее не все «лишние» атомы углерода успевают выйти из ОЦК решетки. Следовательно, образующаяся при распаде аустенита фаза Ф`должна представлять собой пересыщенный твердый раствор углерода в Fe, тем более отличающийся по содержанию углерода от феррита, чем ниже температура превращения. Карбидная фаза Ц` будет также отличаться от цементита Fe3C и будет представлять собой промежуточные соединения FeхC. Чем ниже температура, тем меньше будет и количество фазы Ц`. Смесь данных фаз Ф` и Ц` называется бейнитом или игольчатым троститом. Различают верхний и нижний бейнит. Пластичность бейнита снижена по стравнению с равновесными структурами П, С, Т. Твердость и прочность верхнего бейнита примерно такая же, как у равновесных структур, у нижнего бейнита твердость и прочность выше.

При температуре Мн диффузия прекращается полностью. При охлаждении стали до температуры ниже Мн начинается мартенситное превращение. Аустенит бездиффузионно превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe. Он имеет игольчатую структуру. Если содержание углерода в феррите в равновесном состоянии при 20 0С – 0,0025 %, то в мартенсите – столько же, сколько в исходном аустените. Это вносит искажения в кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка Fe изменяется до тетрагональной. Образуются ковалентные связи, которые на порядок сильнее металлических, и более жесткие. Поэтому мартенсит имеет очень высокую твердость и хрупкость.

Тетрагональная решетка (рис.). Внутри много атомов углерода (как резиновый автобус). Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода (). Причина больших внутренних напряжений в том, что мартенсит (зерно) стремится занять больший объем, чем аустенит, но не может, так как ограничен со всех сторон металлом. Размеры мартенсита определяются размерами зерна аустенита. Игольчатый.

Важнейшим условием превращения А М является непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк (температура окончания мартенситного превращения). При остановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение со временем размеров и т. д.).

Другой особенностью мартенситного превращения является высокая скорость роста игольчатых мартенситных кристаллов – около 1 км/сек.

Лекция № 7

Диаграмма распада аустенита при непрерывном охлаждении

В реальных условиях аустенит распадается не при постоянной температуре, а при переменном ее значении, в определенном интервале. Температурный интервал превращения аустенита, продолжительность превращения, характер и свойства продуктов распада зависят от скорости охлаждения. Скорость охлаждения регулируется составом и свойствами охлаждающей среды (исп. вода, минеральное масло, воздух, водные растворы кислот и щелочей, расплавы солей). При погружении детали в охлаждающую жидкость из-за того, что температура детали выше температуры кипения охлаждающей среды (1 стадия), вокруг детали образуется паровая пленка, которая замедляет скорость охлаждения детали. Для разрушения паровой пленки необходимо обеспечить взаимное перемещение детали и охлаждающей жидкой среды. После остывания детали до температуры кипения среды, происходит пузырчатое охлаждение (2 этап), когда выделяющиеся на поверхности детали пузырьки газа уносят тепло. Это наиболее активная фаза охлаждения. 3 этап –охлаждение уже значительно остывшей заготовки за счет конвективного движения среды.

Рассмотри особенности охлаждения эвтектоидной стали (С=0,8 %) при различных скоростях охлаждения. Кривые охлаждения можно наложить на диаграмму изотермических превращений аустенита, тогда получим диаграмму распада аустенита при непрерывном охлаждении.

При небольшой скорости охлаждения (V1) образуется перлит. При большей (V2) – сорбит, еще большей (V3) – троостит. Все три структуры имеют одинаковый фазовый состав: Ф + Ц, причем феррит содержит минимальное количество углерода, а цементит – обычное (6,67 %, что соответствует формуле Fe3C. Поэтому перлит, сорбит и троостит относят к семейству перлитов. Различаются они по степени дисперсностью пластинок феррита и цементита (чем больше скорость охлаждения, тем слабее диффузионные процессы при одновременном увеличении числа зарождающихся центров кристаллизации).

Прочность и твердость продуктов распада зависят от следующих факторов:

1. Размеры зерен фаз (дисперсность).

2. Плотность генерируемых при охлаждении дислокаций.

3. Уровень остаточных внутренних напряжений.

Последние два фактора зависят от значения возникающих в сплаве термических и фазовых внутренних напряжений. Термические напряжения возникают при всяких изменениях температуры сплава. Они обусловлены разницей удельных объемов нагретых и более холодных слоев металла. Фазовые напряжения возникают в процессе превращения аустенита в другие структуры (фазы), из-за разности удельных объемов различных фаз.

Фазы в порядке увеличения удельного объема располагаются следующим образом: аустенит, перлит, сорбит, тростит, бейнит, мартенсит.

При увеличении скорости охлаждения размер зерен уменьшается, а термические и фазовые напряжения возрастают. Поэтому плотность дислокаций увеличивается, уровень остаточных внутренних напряжений также. Все это вызывает увеличение прочности и твердости сплава при одновременном уменьшении его пластичности.

Критической скоростью закалки Vк, называется скорость охлаждения сплава, при которой весь аустенит может переохладиться вплоть до интервала температур начала и конца мартенситного превращения Мн  и  Мк и бездиффузионно превратиться в мартенсит. Исходя из этого условия Vк определяется как касательной к левой кривой охлаждения.

Скорость V5 превышает критическую скорость закалки Vк, поэтому при V5 происходит мартенситное превращение (закалка) стали. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe. Он имеет игольчатую структуру, высокую твердость и нулевую пластичность, так как в кристаллической решетке сосуществуют металлические и ковалентные (очень жесткие) связи, и высокая плотность дислокаций.

Огромная скорость роста мартенситных кристаллов, превышающая 1000 м/с, способствует образованию наклепа в аустените, возникающие при этом дислокации переходят в образующийся мартенсит, что повышает его твердость, снижая пластичность до нуля. Если у перлита, сорбита и тростита плотность дислокаций соответственно 107, 108 и 109  см-2, то у мартенсита – 1013 см-2.

Скорость V4 меньше критической скорости закалки, но все же достаточно высока, поэтому часть аустенита претерпевает диффузионный распад, а часть успевает охладиться до мартенситного превращения. Образуется бейнит, который представляет собой смесь тростита и мартенсита, и занимает промежуточное положение между ними по механическим показателям.

Критическая скорость закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита. Чем больше его устойчивость (чем правее расположены линии превращения), тем меньше критическая скорость закалки. Vк углеродистой стали зависит от содержания С, Vn, Si, величины зерна, и может колебаться от 100 до 600 град/сек. Vк тем меньше, чем больше в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением кобальта Со). Чем крупнее зерно, тем меньше Vк. Наличие в аустените нерастворимых частиц (карбидов) уменьшает устойчивость аустенита и повышает Vк.

Превращение аустенита в мартенсит происходит не до конца, поэтому в закаленной стали наряду с мартенситом всегда присутствует в некотором количестве остаточный аустенит, что приводит к отрицательным последствиям.

Основные виды термической обработки стали

Под термической обработкой понимают изменение структуры и свойств сплава путем нагрева его до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с заданной скоростью. При помощи термической обработки можно получить высокие механические свойства стали, обеспечивающие нормальную работу современных деталей и машин.

1. Отжиг.

Это нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением. В результате медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию с минимальной плотностью дислокаций (106–107 см-2). Вследствие этого после отжига получаются структуры, указанные на диаграмме состояния Fe – Fe3C. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью. Отжиг является, как правило, подготовительной операцией термообработки с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность. Поэтому отжиг способствует повышению пластичности, вязкости. Отжигу подвергают литые, кованные и прокатанные детали, нуждающиеся в исправлении структуры, для снятия напряжений.

Различают следующие виды отжига:

1. Полный (обыкновенный) отжиг.

Нагрев доэвтектоидной стали на 30...50 0С выше Ас3, заэвтектоидной – на на 30...50 0С выше Ас1, выдержка при этой температуре до полного прогрева металла и завершения структурно-фазовых превращений и медленное охлаждение в камере выключенной печи.

2. Диффузионный отжиг (гомогенизация) – разновидность отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации. При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000 – 1100 0С и подвергается длительной выдержке (18 – 24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится или обыкновенный отжиг, или нормализация.

3. Рекристаллизационный отжиг.

Производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Наклепанный металл очень тверд и хрупок вследствие высокой плотности дислокаций и других дефектов решетки, и обладает большим запасом избыточной свободной энергии. Рекристаллизационный отжиг предпочтительнее обычного, так как при более низкой температуре (600 – 700 0С) и намного меньшей продолжительности дает тот же результат. Во время отжига происходит самоликвидация противоположных по знаку дислокаций и рост новых равновесных зерен.

Рекристаллизация возможна только для деформированного металла. При деформации происходит наклеп – повышение прочности при снижении пластичности. Пример: последовательное волочение проволоки исх. 10 мм. Протягиваем ее через волоки 8 мм, 6 мм, 5 мм – и она рвется. Если нагревать после каждой операции – не рвется. Почему? Происходит рекристаллизация (для технически чистых Ме при t=0,4 Тпл.) – образование и рост новых равноосных зерен перлита и феррита по краям вытянутых волокон.

Лекция № 8

2. Нормализация.

Нагрев доэвтектоидной стали на 30...50 0С выше Ас3, заэвтектоидной – на на 30...50 0С выше Асm, непродолжительная выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. Нормализация вызывает перекристаллизацию стали и следовательно, устраняет крупнозернистую структуру. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низкой температуре, что повышает дисперсность ферритно-цементитной смеси. Частично подавляется выделение феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной, что повышает прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с отожженной. Вследствие измельчения зерна улучшается вязкость стали. Для низкоуглеродистой стали нормализацию, как более простую опрерацию, применяют вместо отжига. Повышая немного твердость, нормализация обеспечивает получение более чистой поверхности при резании. Для среднеуглеродистой стали, когда не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Механические свойства ниже, но операция нормализации проще и вызывает меньшую деформацию изделий по сравнению с закалкой. Для заэвтектоидной стали нормализацию применяют для устранения цементитной сетки, которая может возникнуть при медленном охлаждении с температуры выше Асm. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.

3. Закалка.

Закалка углеродистых сталей заключается в их нагреве выше критической температуры A3 (для доэвтектоидных сталей) или A1 (для заэвтектоидных сталей), выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и охлаждении со скоростью, равной или большей критической скорости закалки стали.

Цель закалки – предельное повышение твердости за счет того, что сталь приобретает неравновесную структуру (мартенсит).

Закалка не является окончательной термообработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, сталь затем подвергают отпуску. Важнейшим преимуществом закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными свойствами, которых нельзя достичь другими видами термообработки.

Инструментальную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения твердости и износостойкости, а конструкционную – для повышения прочности и твердости при достаточно высокой пластичности и вязкости.

Температуры нагрева сталей при основных видах термообработки

Температуру нагрева детали принимают на 30...50 0С выше критической температуры A3 или A1. Нагрев стали до более высоких температур не применяется, так как это вызывает рост зерна аустенита, что приводит к образованию при охлаждении крупноигольчатого мартенсита и ухудшению вязкости. Перегрев увеличивает деформацию, усиливает образование трещин и обезуглероживание.

Условие закалки: скорость охлаждения детали Vохл. дет должна быть больше или равной критической скорости закалки стали: Vохл. дет  Vк. Выполнение этого условия обеспечивает образование мартенситной структуры стали. Для низкоуглеродистых сталей закалка становится практически невозможна из-за очень высокой критической скорости закалки.

Критическая скорость закалки Vк имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т. е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше Vк, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка. Фактическая скорость охлаждения слоя материала, удаленного от поверхности, уменьшается, и на каком-то расстоянии может оказаться меньше Vк. Критическая скорость закалки Vк зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенного углерода и легирующих элементов.

Таким образом, введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость. Прокаливаемость оценивают по глубине залегания полумартенситного слоя (50 %М и 50 %Т) в специальных цилиндрических образцах, охлажденных в струе холодной воды.

При нагревании стали под воздействием печных газов происходит окисление и обезуглероживание, что ухудшает состояние поверхностного слоя. Для защиты применяют нагрев в расплавленных солях, в защитных газовых средах или в вакууме.

Уровень термических и фазовых напряжений, вероятность образования трещин и коробления зависит от резкости охлаждающей среды, которые располагаются в порядке: вода, масло, воздух. При закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды, если это позволяет критическая скорость закалки.

Зачастую при закалке деталей из высокоуглеродистой стали (режущий инструмент) применяют охлаждение в двух средах: кратковременным (несколько секунд) охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше Мн. Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде – минеральном масле, при этом мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений. Это закалка в двух средах.

Обработка холодом. При закалке в стали наряду с мартенситом всегда сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем большее, чем ниже точка Мк. У высокоуглеродистых и легированных сталей точка Мк зачастую лежит ниже 0 0С. Большое количество остаточного аустенита снижает твердость и теплопроводность закаленной стали, что особенно нежелательно для режущего инструмента. В течение определенного времени остаточный аустенит претерпевает фазовые превращения, приводящие к изменению размеров изделия. Это недопустимо для мерительного инструмента. Уменьшить содержание остаточного аустенита до минимума позволяет обработка холодом, производимая после закалки. Изделия помещают в холодильную камеру с температурой, равной или близкой к точке Мк (обычно – 80 0С). При этом продолжается мартенситное превращение.

Поверхностная закалка ТВЧ. Нагрев поверхности детали производится токами высокой частоты. Используется явление магнитной индукции и поверхностного распределения индуцированного тока в детали. Деталь устанавливается внутрь водоохлаждаемого медного индуктора, и при пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты создается магнитное поле, вызывающее в изделии появление токов обратного направления. Особенность индуктивного тока – максимальная плотность в поверхностном слое детали. Нагрев до температуры закалки происходит за 2 – 10 с. Глубина слоя 2 – 5 мм.

Охлаждающая жидкость – вода, водные растворы полимеров. Подается через спрейер (душевое устройство).

Сердцевина изделия при закалке ТВЧ остается вязкой и изделие может воспринимать ударные нагрузки.

При закалке ТВЧ вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве по сравнению с обычной закалкой при печном нагреве, аустенит мелкозернистый, поэтому образуется более твердый мелкоигольчатый мартенсит.

Предел выносливости стали по сравнению с обычной закалкой значительно повышается.

Лекция № 9

4. Отпуск. Это операция нагрева закаленной стали для уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, необходимых для долголетней эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска. Отпуск производится при температурах ниже А1, чтобы не допустить аллотропических превращений.

В процессе многолетней практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации своих, особых вязкостно-прочностных свойств:

1. Режущий и мерительный инструмент, штампы для холодной штамповки. От материала требуется высокая твердость и хотя бы небольшой запас вязкости.

2. Пружины, рессоры, и др. изделия, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью.

3. Большинство прочих деталей машин, испытывающих статические, динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальной вязкостью.

Следовательно, в зависимости от температуры нагрева существуют три вида отпуска: низкий (150–180 0С), средний (350–450 0С), и высокий (500–650 0С).

При увеличении температуры отпуска возрастает степень диффузионного распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь, при этом прочность стали уменьшается, а вязкость увеличивается.

При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода, которые еще не могут образовать стабильный цементит Fe3C. Вместо этого образуются высокодисперсные частицы промежуточных карбидов FeхC, которые частично сохраняют атомную связь с основной решеткой мартенсита. Плотность дислокаций снижается незначительно, поэтому мартенсит отпуска сочетает высокий уровень твердости с некоторым, хотя и небольшим, запасом вязкости и пластичности. Поэтому низкому отпуску подвергают изделия первой группы.

При среднем отпуске завершается распад мартенсита на феррит и цементит нормального состава. Однако вследствие слабой диффузии, размер зерен этих фаз очень мал. Продукт распада называется троститом отпуска. В отличие от тростита закалки, в нем цементит пристуствует в виде мельчайших зерен, а не в виде пластин, что обуславливает его более высокую вязкость. Плотность дислокаций и уровень остаточных напряжений снижаются более существенно, чем при низком отпуске. При этом достаточно высокий предел упругости материала сочетается с удовлетворительной вязкостью. Среднему отпуску подвергают изделия второй группы.

При высоком отпуске усиливается диффузия, и мартенсит распадается на более крупнозернистый сорбит отпуска. Этот продукт обладает максимально возможной для стали вязкостью в сочетании с удовлетворительной прочностью, что идеально для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Поэтому данный вид термообработки (закалка + высокий отпуск) называется улучшением. Используется для изделий третьей группы.

Химико-термическая обработка стали (ХТО)

Опр.: ХТО называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Назначение ХТО – поверхностное упрочнение и защита от коррозии с целью повысить надежность деталей машин.

ХТО включает три стадии: 1) образование активных атомов в насыщающей среде и перемещение их к поверхности обрабатываемого металла; 2) адсорбцию (захват) активных атомов поверхностью насыщения; 3) диффузию – перемещение адсорбированных атомов внутри металла.

После ХТО у поверхности детали образуется диффузионный слой, отличающийся от сердцевины по химическому составу, а значит, по структуре и свойствам. При контроле ХТО используют параметр «эффективная толщина диффузионного слоя», под которой понимают расстояние от поверхности до точки с установленным значением базового параметра (например, с определенной концентрацией насыщающего элемента, определенным размером зерна, твердостью и т. д.).

Диффузия происходит либо по вакантному механизму (образуется раствор замещения), либо по междоузлиям решетки (раствор внедрения).

Цементация стали

Опр.: Цементацией (науглероживанием) называется ХТО, при которой поверхностный слой стали диффузионно насыщается углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе.

Цель цементации – повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины.

Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки А3 (930–950 0С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Для цементации используют низкоуглеродистые (0,1–0,18 %С), чаще легированные стали. Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование (50–100 мкм). Участки, не подлежащие упрочнению, изолируют покрытием (медь, спец. обмазка).

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В его структуре можно различить три зоны: заэвтектоидную № 1 (П+Ц), эвтектоидную № 2 (П) и доэвтектоидную № 3 (П+Ф).

Основные виды цементации –твердая и газовая. Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом. Ее преимущества: возможность получения заданной концентрации углерода в слое, сокращение времени процесса, возможность полной механизации и автоматизации процесса, упрощение последующей термической обработки стали (возможность закалки прямо из цементационной печи). Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа (метан СН4). Процесс ведут при 910–930 0С 6 – 12 ч.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки после цементации. При этом исправляется структура и происходит измельчение зерна сердцевины и цементованного слоя, которые были увеличены во время длительного нагрева при цементации. В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки А1 (сердцевины) при 820–850 0С. Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева (закалка идет сразу из цементационной печи). Такая термообработка не исправляет структуру  цементованного слоя и сердцевины, поэтому применяется только для изделий из наследственно мелкозернистой стали.

Заключительная операция термообработки цементованных изделий – низкий отпуск (160–180 0С), который переводит мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимает напряжения и улучшает механические свойства. В результате структура цементованного слоя будет: мелкоигольчатый мартенсит отпуска + остаточный аустенит (15–20 %) + избыточные карбиды в виде глобулей. Толщина эффективного слоя (по твердости HRC  50) составляет 0,4–1,8 мм.

Лекция № 10

Азотирование стали

Опр.: Азотированием называется ХТО при которой поверхностный слой стали диффузионно насыщается азотом при нагревании в соответствующей среде.

Азотированию подвергают детали, работающие на износ при повышенных температурах в агрессивных средах: гильзы цилиндров ДВС, детали арматуры турбин и т. д. Твердость азотированного слоя стали выше, чем у цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 – 500 0С против 200 – 225 0С у цементованного). Азотирование чаще проводят низкотемпературное при 500 – 600 0С. Высокотемпературному азотированию (600 – 1200 0С) подвергают стали ферритного и аустенитного классов и тугоплавкие металлы (Ti, Mo и др.). Наиболее распространено газовое азотирование. Его проводят в герметических камерах с подачей аммиака NH3, который диссоциирует на атомарный азот и водород. При диффузии азота внутрь кристаллической решетки железа, образуются азотистые фазы: твердый раствор азота на основе -железа (-фаза), азотистый -аустенит при температуре выше эвтектоидной 591 0С (-фаза), твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N (’-фаза) и твердый раствор на основе нитрида Fe2–3N (-фаза).

В случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной диффузионный слой состоит из трех слоев: + ’ + . Носителем твердости является нижний -слой вследствие выделения дисперсных нитридов. ’-слой очень тонок и часто даже не обнаруживается, а -слой непрочный и хрупкий.

В случае азотирования при температуре выше эвтектоидной (например 650 0С), слой при этой температуре состоит из следующих фаз: + ’ + + . При медленном охлаждении азотистый -аустенит распадается на эвтектоид:    + ’, а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение. В этом случае максимальной твердости отвечает мартенситный подслой.

При азотировании легированных сталей образуются легированные - и ’-фазы. Легирующие элементы W, Mo, Cr, Ti, V, будучи растворены в феррите, повышают растворимость азота в -фазе и образуют специальные нитриды MN, M2N (VN, TiN, Cr2N и др.). Выделяясь в мелкодисперсном состоянии, эти нитриды способствуют повышению твердости азотированного слоя.

В последние годы получило применение азотирование с добавками углеродсодержащих газов, которое проводят при 570 0С в течение 1,5 – 3 ч в атмосфере, содержащей 50 % (об.) эндогаза и 50 % (об.) аммиака. В результате такой обработки образуется карбонитридная (Fe,M)2–3(N,C) зона толщиной 7 – 25 мкм, обладающая меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая фаза Fe2–3N. Общая толщина слоя 0,15 –0,5 мм.

Для активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование. Время процесса сокращается в 2 – 3 раза, качество азотированного слоя повышается. Процесс идет в стальном контейнере – аноде. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускается азотсодержащая газовая среда. Напряжение 300 – 800 В, температура 450 – 500 0С. Положительные ионы азота поглощаются поверхностью детали-катода, а затем диффундируют вглубь. Параллельно протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование сплавов, покрывающихся оксидной пленкой.

Нитроцементация стали

Это одновременное насыщение поверхности стали азотом и углеродом, которое имеет ряд преимуществ: азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру до 850 0С. Деформация деталей и нагрев печного оборудования при этом также уменьшаются. Для газовой цементации и нитроцементации применяют одинаковое оборудование, т. к. среда – газовая (эндотермическая атмосфера с небольшим добавлением природного газа и аммиака).

Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных изделий.

Цианирование и карбонитрация

Это также одновременное насыщение стали углеродом и азотом, но происходящее в жидкой среде – расплавах солей, содержащих цианид натрия (цианирование) или цианат калия (карбонитрация). Цианирование происходит при 820 – 860 0С, карбонитрация – при 530 – 570 0С. Карбонитрация – более перспективный процесс, так как цианирование происходит в токсичной среде, более длительно и выше температура. Поэтому цианирование не получило широкого распространения. Назначение этих процессов то же, что и нитроцементации.

Борирование

Это насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, тугоплавкие металлы и никелевые сплавы. При борировании железа упрочненный слой состоит из ромбического борида FeB и тетрагонального борида Fe2B, образующих столбчатые кристаллы. Под слоем боридов располагается переходный слой из твердого раствора бора в -железе. Бориды устойчивы и сохраняют твердость при нагревании до высоких температур (700 0С), однако боридный слой хрупкий. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот, в растворах щелочей и расплавах цинка, свинца, олова, кадмия.

Силицирование

В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов. При силицировании железа и стали на поверхности образуется -фаза (твердый раствор кремния в -железе). Среда – моносилан SiH4 с добавлением аммиака, аргона либо азота. Длительность процесса 3 – 5 ч. Наибольший интерес представляет силицирование легированных сталей, так как Cr, Al, Ti, попадая в силицированный слой, повышают его окалиностойкость.

Хромирование

Это насыщение поверхности изделий хромом. Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали различных классов, сплавы никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и металлокерамику. Хромирование производят в вакуумных камерах при 1420 0С. За 18 – 24 ч получают хромированный слой толщиной 2 – 2,5 мм с концентрацией на поверхности до 70 % хрома. Процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии и окалиностойкость до 800 0С. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 % С повышает их твердость и износостойкость. Упрочняют детали паросилового и пароводяного оборудования, клапаны и т. д.

Алитирование

Это процесс диффузионного насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 900 0С), так как в процессе нагрева поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия Al2O3, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде. Толщина слоя достигает 0,2 – 1 мм, концентрация Al на поверхности может доходить до 58 % по массе. Алитированию подвергают различные изделия, работающие при высоких температурах.

Лекция № 11

Легированные стали. Назначение легирующих элементов

Опр.: Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы.

При наличии элементов в количестве менее 0,1 % такое легирование называют микролегированием.

Легирующие элементы оказывают влияние на электронную и дислокационную структуру металла. Замещая атомы в решетке основы, они создают барьеры ближнего действия на пути движущихся дислокаций. Плотность дислокаций, их подвижность, значения констант диффузии и упругости, условия протекания фазовых превращений и в конечном итоге прочность твердого раствора связаны с легированием.

Эффект упрочнения при легировании железа элементами внедрения (азот, углерод) значительно сильнее, чем элементами замещения (например, никель, марганец). Никель и марганец являются одними из основных аустенитообразующих элементов в стали.

Легированные стали характеризуются лучшим комплексом физико-химических (в том числе и механических) свойств по сравнению с углеродистыми: они отличаются повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии, значительной ударной вязкостью, высоким пределом текучести, большим электросопротивлением и т. д. Оптимальные механические свойства обеспечиваются формированием в результате термической обработки дисперсных структур и более мелкого зерна. Легированные стали могут закаливаться в масле или на воздухе (т. к. обладают лучшей прокаливаемостью, чем углеродистые), что способствует уменьшению деформации изделий и вероятности образования трещин.

1. Все легирующие элементы, растворяясь в феррите, аустените, цементите, а также образуя химические соединения (карбиды, интерметаллиды), упрочняют сталь. Пластичность и вязкость при этом падают.

2. Никель одновременно повышает и прочность, и вязкость.

3. Алюминий, кремний, хром и медь повышают коррозионную стойкость стали.

4. Алюминий, ванадий, молибден, вольфрам, титан измельчают зерно и тем самым повышают вязкость стали.

5. Марганец и кремний способствуют получению крупнозернистой структуры в стали.

6. Молибден и вольфрам устраняют хрупкость стали при отпуске.

7. Молибден, вольфрам, ванадий, титан повышают жаропрочность стали, а также ее красностойкость (твердость при высоких температурах).

8. Никель, марганец, медь, азот являются аустенизаторами, т. е. растворяясь в железе, расширяют область аустенита.

9. Карбидообразующие элементы: хром, молибден, ванадий, вольфрам и другие, растворяясь в железе, расширяют область феррита и поэтому называются ферритизаторами.

10. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, кремния, алюминия, понижают температуры Мн и Мк (диаграммы изотермического распада аустенита) и способствуют увеличению количества остаточного аустенита при закалке. Они же уменьшают критическую скорость закалки стали, увеличивают прокаливаемость стали.

По влиянию на температурный и концентрационный интервалы (область) существования -модификации, легирующие элементы в стали делятся на две группы: 1) элементы, расширяющие область существования -фазы, или -стабилизаторы (никель, марганец); 2) элементы, замыкающие область существования -фазы, или -стабилизаторы (молибден, титан и др.). То есть, чем больше элемента  -стабилизатора в стали, тем при более низкой температуре может сохраняться -модификация (аустенит).

Большинство легирующих элементов повышает устойчивость остаточного аустенита, т. е. смещает вправо кривые охлаждения. Исключение – кобальт. Это вызвано низкой диффузионной подвижность легирующих элементов, от которых должна, помимо углерода, освободиться решетка ГЦК.

Также большинство легирующих элементов снижает температуры Мн и Мк мартенситного превращения, и следовательно, увеличивает количество остаточного аустенита. Исключение – алюминий и кобальт.

Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей а) перлитного б) мартенситного в) аустенитного классов:

В конструкционных сталях основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений. Все это способствует повышению сопротивления стали хрупкому разрушению. Прокаливаемость увеличивается.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали. Склонность аустенитного зерна к росту при нагреве уменьшается. Прокаливаемость увеличивается.

Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель. Увеличивает жаростойкость стали, однако повышает склонность к тепловой хрупкости.

Марганец, подобно никелю, снижает критическую скорость охлаждения, увеличивает прокаливаемость, но при этом уменьшает вязкость. Используется для частичной замены никеля из-за меньшей стоимости.

Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали, особенно в присутствии никеля, способствуют измельчению зерна и подавлению хрупкости.

Ванадий, титан, ниобий и цирконий образуют труднорастворимые в аустените карбиды. Способствуют измельчению зерна, снижению порога хладноломкости, уменьшают чувствительность стали к концентраторам напряжений (но только при микролегировании).

Классификация легированных сталей

В основу классификации легированных сталей заложены 4 признака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей.

По типу равновесной структуры различают стали перлитного класса (эвтектоидные), карбидного (заэвтектоидные), ферритного (доэвтектоидные) или аустенитного классов. Последний образуется при высоком содержании -стабилизаторов, когда аустенит сохраняется при охлаждении до комнатной температуры.

По структуре после нормализации стали делятся на 3 основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (в порядке увеличения содержания легирующих элементов). Рисунок выше.

По химическому составу легированные стали в зависимости от вводимых элементов делятся на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п. По общему количеству легирующих элементов стали делятся на низколегированные (до 2,5 %), легированные (2,5 – 10 %) и высоколегированные (более 10 %). По качеству (оценивают по содержанию вредных примесей серы и фосфора) легированные стали делятся на качественные, высококачественные и особовысококачественные.

По назначению стали подразделяют на конструкционные (в том числе цементуемые и улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами («автоматные», пружинные, подшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др.).

Маркировка легированных сталей

Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. Двухзначные цифры в начале марки – среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа отцифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Следующая после каждой буквы цифра указывает примерное содержание данного элемента в целых процентах. При содержании около 1% и меньше, цифра отсутствует. Буква А и буква Ш в конце шифра обозначают соответственно высококачественную или особовысококачественную сталь (30ХГСА). Буква а в самом начале шифра (А40Г) указывает на автоматную сталь с повышенной обрабатываемостью резанием. Если автоматная сталь легирована свинцом, то в самом начале шифра стоят буквы АС (АС35Г2). Маркировка шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 – среднее содержание хрома в десятых долях процента).Быстрорежущие (инструментальные) стали начинаются с буквы Р, за которой идет содержание вольфрама в процентах.

Лекция № 12

Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали

К данной группе сталей относятся низко- и среднелегированные стали (20Х, 15ХФ, 25ХГТ, 12ХН3А и др.) с содержанием углерода 0,1 – 0,3 %, обеспечивающие после ХТО, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость (HRC 58 – 62) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине.

Эти стали используют для изготовления деталей машин и приборов (кулачков, зубчатых колес и др.), испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженных износу.

То есть детали из данной стали должны обладать высокой поверхностной твердостью, износостойкость и контактной выносливостью, и одновременно иметь вязкую сердцевину, способную воспринимать знакопеременные и ударные нагрузки.

Термообработка производится после ХТО: закалка при 880 0С (вода, масло) и низкий отпуск при 180 0С (воздух, масло).

Улучшаемые легированные стали

Это стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Стали (40Х, 40ХФА, 30ХГСА, 38ХН3МФА и др.) содержат 0,3–0,5 % углерода и 1–6 % легирующих элементов. Закаливают их с 820–880 0С в масле, крупные детали – в воде. Высокий отпуск производят при 500–650 0С с охлаждением в воде, масле или на воздухе, в зависимости от состава стали. Структура стали после улучшения – сорбит.

Область применения – изготовление валов, шатунов, штоков, и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.

Высокопрочные стали

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности 1500–2000 МПа и более (для сравнения – 400 МПа имеет низкоуглеродистая сталь). Этим сталям необходимо иметь достаточный запас пластичности и вязкости. К высокопрочным сталям относятся:

1) среднеуглеродистые комплексно-легированные стали, используемые после закалки с низким отпуском или после термомеханической обработки (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 38ХН3МА);

2) мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т);

3) метастабильные аустенитные стали (трип-стали).

1. Из среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей большое применение, особенно в самолетостроении, находит сталь 30ХГСН2А (хромансил). Эта сталь улучшена 1,6 % Ni и используется для изготовления деталей фюзеляжа, шасси, силовых сварных конструкций и др. Эта сталь может применяться в низкоотпущенном состоянии или после изотермической закалки. В последнем случае сталь менее чувствительна к надрезу. Также сталь может применяться после термомеханической обработки (в одном технологическом процессе совмещаются пластическая деформация аустенита и закалка, что обеспечивает высокую прочность в до 2000–2800 МПа при достаточной пластичности и вязкости.

2. Мартенситно-стареющие стали превосходят по конструктивной прочности и технологичности рассмотренные ранее среднеуглеродистые стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладноломкости при прочности в около 2000 МПа. Эти стали характеризуются высокой прокаливаемостью, хорошей свариваемостью, легкой деформируемостью в закаленном состоянии, малым короблением в процессе термической обработки. Данные стали представляют собой безуглеродистые сплавы железа с 8–25 % Ni, дополнительно легированные другими элементами, в том числе тугоплавкими. Поэтому после закалки фиксируется железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Он обладает высокой пластичностью, но относительно низкой прочностью (в  1100 МПа). Его в дальнейшем можно деформировать с большими степенями обжатия. Главное упрочнение происходит в процессе старения при 450 – 550 0С за счет выделения из мартенситной матрицы мелкодисперсных фаз интерметаллидов (NiTi и др.).

3. Метастабильные аустенитные стали (трип-стали), такие как 30Х9Н8М4Г2С2 содержат 0,2 – 0,3 % С, 8 – 10 % Cr, 8 – 25 % Ni, 2 – 6 % Mo, 1 – 2,5 % Mn, до 2 % Si. После закалки с 1000 – 1100 0С в этих сталях фиксируется устойчивая аустенитная структура, так как точка Мн начала мартенситного превращения лежит в области отрицательных температур. В процессе последующей пластической деформации (степень обжатия 50–80 %), проводимой при 450–600 0С (ниже температуры рекристаллизации), происходит наклеп аустенита, а также его обеднение углеродом и легирующими элементами за счет выделения карбидов (дисперсионное упрочнение). Вследствие этого повышаются температуры Мн и Мд (температура начала образования мартенсита деформации), причем последняя превышает 20 0С. Поэтому в процессе охлаждения аустенит становится метастабильным и при повторной деформации претерпевает мартенситное превращение. Трип-стали имеют высокую прочность (в = 1800 – 2000 МПа), хорошую пластичность и трещиностойкость. Из них изготовляют проволоку, тросы, высоконагруженные детали. Применение ограничено необходимостью мощного прокатного и другого оборудования для изготовления.

Пружинные стали общего назначения

Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации металла. В то же время многие из них испытывают циклические нагрузки. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5–0,75 % С. Их также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение этих дефектов достигается дополнительным введением хрома, ванадия, вольфрама и никеля.

Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, облажает сталь 50ХФА, используемая для автомобильных рессор и клапанных пружин. Сталь не склонна к обезуглероживанию и перегреву, но имеет малую прокаливаемость. Повышение прокаливаемости достигается введением марганца (50ХГФА).

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850–880 0С, средний отпуск 380–550 0С) обеспечивает получение высоких пределов прочности (1200–1900 МПа) и текучести.

Существенное (до 2 раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклепом посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок, в процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия, снижающие при эксплуатации деталей общий уровень напряжений растяжения в указанном слое.

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку или ленту из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Пружины и другие элементы специального назначения изготовляют из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитно-мартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

Лекция № 13

Шарикоподшипниковые стали

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (явление шелушения). При этом на контактных поверхностях возникают точечные дефекты.

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Для изготовления деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ (цифра 15 – содержание хрома в десятых долях процента, то есть 1,5 %). Эти стали содержат по 1 % С. ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5 %) и марганцем (1,05 %) для повышения прокаливаемости. Отжиг стали обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость в холодном состоянии. Закалка шариков, роликов и колец ведется в масле с температур 840–860 0С. Перед отпуском детали охлаждают до 20 0С для уменьшения остаточного аустенита, чтобы обеспечить стабильность их работы. Отпуск проводят при 150–170 0С в течение 1–2 ч.

Оптимальные условия работоспособности достигаются, если шарики несколько тверже колец.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготовляют из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.

Износостойкая высокомарганцевая аустенитная сталь

Износостойкость деталей обычно обеспечивается прежде всего высокой твердостью поверхности. Однако высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (1,25 % С, 13 % Mn, 1 % Cr, 1 % Ni) при низкой начальной твердости успешно работает на износ в условиях абразивного трения, давления  и больших динамических нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации. Так, при пластической деформации, равной 70 %, твердость возрастает с 210 НВ до 530 НВ. Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита деформации с гексагональной или ромбоэдрической решеткой.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

Коррозия – это процесс разрушения металла под воздействием внешней среды. По механизму протекания различают химическую коррозию, возникающую под действием газов или неэлектролитов (нефть) и электрохимическую, развивающуюся в случае контакта металла с электролитами (кислоты, щелочи, соли, влажная атмосфера, почва, морская вода). В неоднородном и даже в однородном металле коррозия часто происходит за счет возникновения на поверхности микрогальванических элементов (участки, обладающие разным электрохимическим потенциалом – фазы, границы зерен и др.). Анодные участки растворяются в электролите.

При одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающей нагрузки (коррозия под напряжением) наблюдается усиление коррозии.

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются коррозионностойкими (нержавеющими). Устойчивость достигается введением элементов, образующих на поверхности плотную защитную пленку, прочно связанную с основой и препятствующую непосредственному контакту стали с агрессивной средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде. Так, введение более 12–14 % Cr резко изменяет электрохимический потенциал стали с отрицательного на положительный и делает ее коррозионностойкой в атмосфере и многих промышленных средах.

Различают 2 группы нержавеющих сталей:

1) Хромистые. Применяют трех типов: с 13, 17 и 27 % Cr. В зависимости от содержания хрома и углерода могут быть ферритного, ферритно-мартенситного или мартенситного классов.

Из сталей ферритного класса изготовляют клапаны гидропрессов, испытывающие ударные нагрузки, а также лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессора. Из сталей мартенситного класса изготовляют карбюраторные иглы, пружины, хирургические инструменты.

2) Хромоникелевые. Содержат 15–30 % Cr, 5 – 10 % Ni и другие элементы (Ti, Mo). В зависимости от содержания хрома, никеля, углерода и других элементов, могут быть аустенитного, аустенитно-мартенситного или аустенитно-ферритного классов.

Из сталей аустенитного класса изготовляют оболочки топливных баков и ракет, криогенной техники. Из сталей аустенитно-мартенситного класса изготовляют обшивку, сопловые конструкции и силовые узлы летательных аппаратов. Стали аустенитно-ферритного класса имеют преимущества в механических свойствах и коррозионной стойкости перед аустенитным классом и применяются в химической и пищевой промышленности, судостроении, авиации, медицине.

Жаростойкие и жаропрочные стали

1. Жаростойкие стали.

Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах. К жаростойким относят стали, работающие в ненагруженном состоянии при t>550 0С. Жаростойкость повышают введением хрома, алюминия и кремния. Они имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют на поверхности плотные оксидные пленки, через которые затруднена диффузия кислорода и дальнейшее окисление. Различают жаростойкие стали: сильхромы (доб. Cr и Si), хромали (Cr и Al) и сильхромали (Cr + Al + Si). Температура окалинообразования у них 850 – 950 0С (то есть могут работать вплоть до этих температур).

п.: 40Х9С2, 40Х10С2М, 10Х13СЮ, 08Х17Т, 36Х18Н25С2.

Алюминий и кремний добавляют в небольших количествах, так как они вызывают охрупчивание.

Применение: клапаны ДВС, детали печного отопления, сопловые аппараты и жаровые трубы в газотурбинных установках.

2. Жаропрочные стали.

Используются при работе под нагрузкой при t>500 0С.

При этом не они должны иметь ползучести. Ползучесть – самопроизвольная деформация при постоянной нагрузке. Ползучесть вызвана явлением рекристаллизации (Tрекл = 0,4 Тпл), то есть для устранения ползучести необходимо добавлять элементы, повышающие тугоплавкость стали.

Жаропрочность повышают легированием: возрастает энергия межатомной связи в твердых растворах (следовательно, затормаживаются диффузионные процессы), за счет закалки с последующим старением формируется специальная гетерогенная структура, состоящая из твердого раствора и вкрапленных в него дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз, когерентных (не теряющих атомной связи) с основой.

Жаропрочные стали перлитного класса – низколегированные (12Х1МФ и др.). Используют для изготовления деталей, длительно (10000 ч и более) работающих в режиме ползучести при температурах до 500–580 0С и малых нагрузках – трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа.

Жаропрочные стали мартенситного класса (15Х11МФ и др.) используются при температурах до 600 0С. Изготовляют детали газовых турбин и паросиловых установок.

Жаропрочные аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные (рабочие температуры до 700–750 0С).

Изготовляют силовые трубопроводы высокого давления, клапаны авиадвигателей, камеры сгорания, диски и лопатки турбин.

Лекция № 14

Инструментальные стали

Чтобы стало возможным  внедрение лезвия инструмента в материал заготовки, твердость материала инструмента должна быть намного больше чем у материала заготовки. Также инструментальный материал должен иметь высокие теплостойкость, прочность и износостойкость.

1. Углеродистые инструментальные стали.

Это высокоуглеродные заэвтектоидные высококачественные стали с содержанием углерода 0,9–1,3 % (У9А – У13А, цифра – десятые доли углерода). После термообработки они приобретают твердость HRC 62–64, что позволяет использовать их в качестве режущей части инструмента при обработке основных конструкционных сталей, чугуна в отожженном состоянии. Однако их низкая теплостойкость (200–250 0С) допускает обработку только при невысоких скоростях резания, поэтому из углеродистой стали изготовляют плашки, метчики и напильники.

п.: 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС (цифра – десятые доли процента углерода, буквы – легирующие элементы).

2. Легированные инструментальные стали.

Легирование углеродистых сталей небольшим количеством хрома, марганца, вольфрама и кремния повышает износостойкость сталей за счет повышения твердости (HRC 66–67,5) в результате образования сложных карбидов и высокой концентрации углерода в мартенсите. Однако эти стали также имеют невысокую теплостойкость (250–300 0С), поэтому из них изготовляют мелкие сверла, метчики, протяжки и концевые фрезы.

3. Быстрорежущие стали.

Твердость HRC 63-65. Теплостойкость 600–640 0С. Обладают высокой прочностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью.

Эти стали содержат от 6 до 18% вольфрама, а также могут добавляться молибден, ванадий и хром, образующие сложные карбиды, связывающие почти весь углерод стали. Коагуляция карбидов, снижающая теплостойкость сталей, происходит только при 550 – 700 0С.

Термообработка – закалка и многократный отпуск. Изготовляют резцы, сверла, зенкеры, развертки, фрезы, долбяки. При добавлении кобальта, ванадия, молибдена, могут быть использованы для резания труднообрабатываемых сталей (коррозионно-стойких, жаропрочных).

п.: Р18, Р6М5, Р9Ф5, Р10К5Ф2 (начинаются с буквы Р, цифра после нее – содержание вольфрама в %, другие легирующие элементы обозначаются стандартно).

Цветные металлы и сплавы. Алюминий и его сплавы

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло и электропроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Al2O3. Технический отожженный алюминий имеет прочность в = 80 МПа и может быть упрочнен холодной пластической деформацией (прочность нагартованного алюминия в = 150 МПа). Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возможны сложности из-за налипания металла на инструмент.

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах – Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn. Они формируют упрочняющие зоны и фазы. Марганец одновременно повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

В настоящее время используют две маркировки алюминиевых сплавов: старую буквенную и новую цифровую.

п.: Алюминий чистый маркируется АД00 или 1010; сплав Al – Mn маркируется АМц или 1400 (1,3 % Mn).

Классификация Al-сплавов

Различают деформируемые и литейные сплавы.

1. Деформируемые сплавы.

Это сплавы повышенной пластичности.

Различают деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой (Al–Si, Al–Cu и др.), и не упрочняемые термообработкой (Al–Mn, Al–Mg). Термообработка: закалка с 450–550 0С и искусственное старение (100–200 0С, 8–24 ч).

Термически упрочняться могут только сплавы с ограниченной растворимостью компонентов, зависящей от температуры (могут быть еще сплавы с неограниченной растворимостью, которые не упрочняются). При закалке упрочняемого сплава его нагревают до температуры полного растворения избыточной фазы, и при охлаждении образуется пересыщенный твердый раствор замещения (например, меди в алюминии). В нем, в отличие от растворов внедрения, не могут возникать существенные искажения кристаллической решетки, большие внутренние напряжения. Поэтому закалка не приводит к повышению прочности и твердости.

Однако правильно выбранным после закалки нагревом – старением – можно существенно изменить дислокационную структуру сплава и повысить его твердость в 2–3 раза. При старении образуются высокодисперсные участки твердого раствора, сильно обогащенные растворенным компонентом, а затем частицы химических соединений переходного состава, когерентно связанные с основной решеткой. Они препятствуют движению дислокаций и упрочняют сплав.

2. Литейные сплавы.

Должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, небольшую усадку, малую склонность к образованию горячих трещин и пористости) в сочетании с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава.

Наиболее распространены сплавы на основе систем Al–Si, Al–Cu, Al–Mg.

Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью. Недостаток титана – его активное взаимодействие с атмосферными газами: азотом, углеродом, кислородом и водородом. Они упрочняют титан, снижая его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно– давлением, сваривается в защитной атмосфере. Широко распространено вакуумное литье. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 0С – ГПУ решетку (-модификация), и выше – ОЦК решетку (-модификация).

Каждый легирующий элемент либо повышает, либо понижает температуру полиморфного превращения (все делятся на - или -стабилизаторы). С другой стороны все легирующие элементы делятся на две группы: 1) с большой (в пределе – неограниченной) растворимостью.

п.: Mo, V, N, O.

2) с ограниченной растворимостью.

п.: Al, Cr, Co, Fe, W, Si, Mn, B, C, Cu.

Последние могут образовывать с титаном интерметаллиды, силициды и фазы внедрения.

Fe, Al, Mn, Cr, V, Si повышают прочность сплава, но снижают при этом пластичность и вязкость. Al, Zr, Mo увеличивают жаропрочность, а Mo, Zr, Nb, Ta, Pd – коррозионную стойкость.

По технологии производства титановые сплавы классифицируют на деформируемые, литейные и порошковые.

По структуре в стабильном состоянии при комнатной температуре (после отжига) – на -сплавы, +-сплавы и -сплавы.

По физико-химическим, в том числе механическим, свойствам – на высокопрочные, обычной прочности, высокопластичные, жаропрочные, коррозионностойкие.

Из сплавов титана изготавливают: обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок, корпуса ракет и двигателей, диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей, гребные винты, баллоны для сжиженных газов, емкости для агрессивных химических сред и др.

Лекция № 15

Медь и ее сплавы

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. 50 % полученной меди потребляется в электронике и электротехнике. Медь стоит на втором месте за алюминием по объему производства среди цветных металлов.

У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность. Ценные технические и технологические свойства: высокие электро- и теплопроводность, достаточная коррозионная стойкость, хорошо обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, поддается пайке, полируется. Недостатки меди: ее высокая стоимость, значительная плотность, большая усадка при литье, горячеломкость, сложность обработки резанием. Медь диамагнитна (слабо).

Температура плавления 1083 0С. Решетка ГЦК, не имеет полиморфизма. Нашей промышленностью выпускается 11 марок меди с различным содержанием примесей. В электронике применяют бескислородную (б) медь марок М00б (99,99 % Cu) и М0б (99,97 % Cu), в электротехнике и металлургии М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu) и др.

По характеру взаимодействия с медью легирующие элементы и примеси разделяют на три группы:

1. Элементы (Ag, Al, Au, Fe, Ni, P, Sn, Zn), образующие твердые растворы. Прочность повышается, но при этом уменьшается тепло- и электропроводность.

2. Элементы (Bi, Pb), практически нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики. Медь становится хрупкой (красноломкость от Pb, хладноломкость от Bi.

3. Элементы (Se, S, O и др.), образующие с медью хрупкие химические соединения (Cu2O, Cu2S). Сера повышает обрабатываемость резанием, но вызывает хладноломкость меди. Кислород также приводит к дефектам.

Сплавы меди с цинком называют латунями: томпаками (до 10 % Zn) или полутомпаками (10 – 20 % Zn). За исключением сплавов с никелем, все другие ее сплавы называют бронзами.

Латуни

1. Деформируемые латуни. Их обрабатывают давлением. Обозначают Л96, Л63 и т. д. Цифра – содержание меди в %, остальное – цинк. Другие элементы обозначают: С – свинец, О – олово, Ж – железо, А – алюминий, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель (ЛАН59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni. Остальное – цинк.).

В технике применяют латуни, содержащие менее 50 % цинка, иначе происходит охрупчивание сплава химсоединением CuZn. До 39 % цинка сплав однофазный с решеткой меди, при большем содержании цинка – двухфазный (твердый раствор с решеткой меди + CuZn).

В небольших количествах (до 30 %) цинк повышает и прочность, и пластичность сплава. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердость, коррозионной стойкостью и жидкотекучестью. В сложных латунях общее содержание легирующих элементов обычно не превышает 9 %.

Перед пластическим деформированием проводят рекристаллизационный отжиг латуней при 500–600 0С с целью уменьшения твердости.

«Автоматная» латунь ЛС59-1, легированная свинцом, обладает сыпучей стружкой при обработке резанием. Изготовляют метизы (винты, болты, гайки, шайбы) на станках-автоматах.

2. Литейные латуни. Используют для фасонного литья. Маркируют несколько по-другому: ЛЦ23А6Ж3 содержит 23 % цинка, 6 % Al и 3 % Fe.

Железо и марганец снижают жидкотекучесть латуни, а олово до 2,5 % ее повышает. Для литья арматуры используют кремнистую латунь (ЛЦ16К4), а втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников льют из свинцовой латуни ЛЦ40Ц.

Бронзы

Маркировка бронз начинается с букв Бр, а в остальном для деформируемых и литейных бронз полностью аналогична маркировке деформируемых и литейных латуней. Дополнительно в бронзах присутствуют фосфор – Ф, цинк – Ц, хром – Х, бериллий – Б, цирконий – Цр.

Оловянные бронзы по структуре бывают однофазными ( – твердый раствор олова Sn в меди) и двухфазными, состоящими из и (Cu31Sn8) фаз. -фаза выделяется при содержании олова более 7–9 %. Она повышает твердость и хрупкость бронз. Прочность сплава с увеличением содержания олова сначала возрастает, а затем при появлении -фазы резко падает.

Легирующие элементы Zn, P, Ni улучшают литейные свойства, P и Ni повышают твердость, прочность, износостойкость, никель также повышает коррозионную стойкость, P и Pb придают антифрикционные свойства. Al и Si даже при содержании в сотых долях процента, резко снижают механические свойства и герметичность отливок.

Деформируемые оловянные бронзы (БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3) имеют однофазную структуру (-твердый раствор), поскольку содержат до 7 % Sn. Их дополнительно легируют фосфором, цинком и свинцом. Изготовляют упругие элементы (пружины, мембраны). По сравнению с литейными деформируемые бронзы имеют большую прочность, вязкость, пластичность, сопротивление усталости.

Литейные оловянные бронзы (БрО3Ц12С5 и др.) имеют двухфазную структуру. Они содержат большее количество легирующих элементов, чем деформируемые бронзы, коррозионностойки и обладают высокими антифрикционными свойствами. Применяют литейные бронзы, содержащие до 10–12 % Sn. При большем количестве возрастает хрупкость. Повышение пластичности бронзы достигается гомогенизацией при 700–750 0С с последующим быстрым охлаждением сплава. При этом уменьшается дендритная ликвация в сплаве и его структура приближается к равновесной. Отжиг отливок при 550 0С устраняет внутренние напряжения в них.

Алюминиевые бронзы характеризуются высокой пластичностью при содержании Al < 5 %. Увеличение содержания Al повышает твердость и прочность, снижая пластичность. Данные сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии, коррозионностойки, обладают высокими механическими свойствами, хорошими литейными свойствами. Многокомпонентные бронзы (БрАЖН10-4-4), содержащие 9–11 % Al, упрочняются закалкой и старением. Твердость при этом повышается в 2 раза.

Кремнистые бронзы характеризуются хорошей прочностью и пластичностью. Они немагнитны, морозостойки. Свариваются, подвергаются пайке.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частности, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии, хорошо свариваются. Упрочняются закалкой со старением. Бронза в закаленном состоянии имеет высокую пластичность, невысокую прочность и может подвергаться пластической деформации. При старении из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы CuBe, повышая прочность и снижая пластичность.

Хромовые бронзы также обладают высокими механическими свойствами. Упрочняются закалкой и старением.

Циркониевые бронзы сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, близкую к меди, и жаропрочность (в частности, сопротивление ползучести). Упрочняются они комплексной обработкой: закалкой, последующей холодной пластической деформацией (степень деформации до 75 %) и старением.

Область применения меди и ее сплавов: чистая медь широко используется в электротехнике, теплообменниках. Из латуней получают изделия глубокой вытяжки (радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги). Латуни, содержащие свинец, работают в условиях трения (часовое производство, типографские машины). Оловянные бронзы применяют для литья художественных изделий. При дополнительном легировании фосфором бронзы работают на трение в коррозионной среде (подпятники, подшипники, уплотняющие втулки, пояски поршневых колец, клапаны. Также из бронз изготовляют втулки, шестерни, подшипники, пружины, мембраны, детали приборов и т. д.

Лекция № 16

Полимеры и пластмассы на их основе

Достоинства неметаллов: - низкая плотность при достаточной прочности; - химическая стойкость в агрессивных средах; - технологичность обработки; - диэлектрики. В основном применяются синтетические материалы (полученные промышленно из простых низкомолекулярных соединений).

Опр.: Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных групп атомов (звеньев).

По форме макромолекулы полимеров делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, сетчатые и пространственные.

Линейные макромолекулы могут скручиваться в спираль. Макромолекулы, имея высокую прочность вдоль главной цепи, слабо связаны между собой, а кроме того имеют гибкость, т. е. способность перемещения отдельных участков. Это обеспечивает высокую эластичность материала (обратимая деформация может составлять десятки сотен процентов). Чем более сложная форма макромолекул (сетчатая, пространственная), тем более прочным, нерастворимым и неплавким, и одновременно более хрупким является полимер.

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические. Чаще расплав полимера с понижением температуры, переходя в твердое состояние, сохраняет аморфную структуру жидкости. Это состояние устойчиво в связи с заторможенностью теплового движения, громоздкостью макромолекул и значительной вязкостью расплава.

Пластмассы – органические материалы на основе полимеров. Они содержат добавки – наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и т. д.

По поведению при нагревании пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. Это свойство имеет обратимость.

Термореактивные при нагреве необратимо затвердевают в результате химической реакции.

Рассмотрим термомеханическую кривую некристаллического линейного полимера – термопласта. Кривая показывает деформацию материала под действием постоянной нагрузки при нагревании с постоянной скоростью.

Ниже температуры хрупкости (точка 1) полимер хрупкий и его разрушение связано с разрывом химических связей в макромолекуле. На участке 1–2 полимер находится в твердом аморфном стеклообразном состоянии. Атомы и молекулы совершают только тепловые колебания около своих равновесных положений. Материалу при деформировании присущи упругие свойства.

При нагреве выше температуры стеклования (участок 2–3) материал сохраняет упругие свойства, но переходит в высокоэластичное состояние, при котором обратимая деформация может достигать 500–800 %. Частота тепловых колебаний атомов возрастает, отдельные сегменты макромолекул перемещаются, сами макромолекулы ориентируются в направлении действия напряжения. При температуре выше текучести (точка 3) материал переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии полимеры перерабатываются.

Основные технологические свойства пластмасс: текучесть, усадка (уменьшение объема при охлаждении), скорость отверждения реактопластов, термостабильность термопластов (время, которое пластмасса выдерживает в нагретом состоянии не разлагаясь).

Наиболее распространенные виды пластмасс

I. Термопласты. Основа – полимеры с линейной и разветвленной структурой. Большинство способно работать при температурах не выше 70 0С. Предел прочности 10 – 100 МПа.

1. Полиэтилен. Имеет структурную формулу

Получают полимеризацией газа этилена. Способен длительно работать при 60 – 100 0С. Морозостойкость –70 0С и ниже. Химически стоек и нерастворим в растворителях при 20 0С. Полиэтилен подвержен старению. Для защиты вводят сажу 2–3 %, замедляющую старение в 30 раз.

Применяют для изоляции кабелей проводов, для изготовления коррозионностойких труб, прокладок, шлангов. Выпускают в виде пленки, листов, труб, блоков.

2. Полистирол. Имеет структурную формулу

Аморфный, твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет высокие диэлектрические свойства, удовлетворительную механическую прочность, рабочую температуру до 100 0С. Химически стоек в щелочах, кислотах, маслах. В бензине и керосине набухает.

Недостатки: хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин.

Применяют для производства слабонагруженных деталей и высокочастотных изоляторов.

3. Фторопласт-4. Имеет структурную формулу

Температурный порог длительной эксплуатации 250 0С, кроме того не охрупчивается до –269 0С, сохраняет гибкость при –80 0С и ниже. Имеет чрезвычайно высокую стойкость к агрессивным средам – кислотам и щелочам. Не горит и не смачивается водой и многими жидкостями. Имеет низкий коэффициент трения (0,04), не зависящий от температуры.

Недостатки: токсичность вследствие выделения фтора при высоких температурах, трудность переработки из-за низкой пластичности.

Применяют для изготовления мембран, труб, вентилей, насосов, уплотнительных прокладок, сильфонов, манжет, антифрикционных покрытий на металлах, электродеталей.

4. Органическое стекло. Структурная формула

Аморфный, бесцветный, прозрачный термопласт. При 80 0С начинает размягчаться, а при 105–150 0С становится пластичным. Промышленно выпускают в виде листов толщиной 0,8–24 мм. Используют в автомобилестроении, оптике и других отраслях.

5. Поливинилхлорид (ПВХ) – линейный аморфный полимер, имеющий структурную формулу

ПВХ стоек во многих средах: воде, щелочах, разбавленных кислотах, маслах, бензине. Размягчается при температуре около 70 0С. Хорошо поддается механической обработке, легко сваривается, склеивается, но чувствителен к надрезам, отличается хрупкостью при низких температурах.

Применяют для облицовки гальванических ванн, как защитное покрытие металлических емкостей.

II. Реактопласты. Производят на основе термореактивных смол: фенолформальдегидных, эпоксидных, кремнийорганических (силиконов), полиэфирных и т. д. Способны работать при повышенных температурах, химически стойки, электроизоляторы. Используются в производстве стеклотекстолитов, термостойких резин, лакокрасок, клеев, герметиков.

III. Резины. Это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокоэластичном состоянии. Это синтетический каучук – углеводородный полимер. Чистый каучук ползет при комнатной температуре и растворяется в органических растворителях. Поэтому его вулканизируют – добавляют серу и др. соединения для образования поперечных связей между звеньями макромолекул при 130 – 150 0С.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34915. Экономические законы и категории 40.5 KB
  Иначе говоря экономические законы это проявление устойчивых отношений между людьми складывающихся в процессе производства распределения обмена и потребления которые в то же время проявляются как интересы. Основные экономические законы Закон спроса и предложения Закон общего макроэкономического равновесия Закон частного экономического равновесия Закон производительной силы труда Закон конкуренции Закон стоимости Законы денежного обращения Законы экономического роста Закон возрастающих вмененных издержек Закон...
34916. Экономические потребности, блага и ресурсы 30 KB
  В их систему входят прежде всего предметные потребности материальные и духовные в продуктах питания одежде газетах книгах и т. а также социальные потребности в труде образовании охране здоровья. В условиях рыночных отношений экономические потребности опосредуются деньгами и приобретают форму спроса.
34917. Предприятия, домашние хозяйства и государство - субъекты экономического кругооборота 36.5 KB
  Предприятия производят товары покупают сохраняют и продают продукты домашним хозяйствам или бюджетным организациям повышают производительность производства используя новые капиталовложения. Государственные учреждения и домашние хозяйства потребляют используя свои доходы или экономя их получают либо предоставляют кредиты. С другой стороны каждый из нас как участник домашнего хозяйства потребляет товары и услуги.
34918. Цикличность экономического развития. Экономический цикл и его фазы 30.5 KB
  Фазы экономического цикла Цикличность экономического развития. В основе цикла лежит динамика спроса которая в свою очередь определяется доходами домашних хозяйств и фирм Выделяют три типа экономических циклов в зависимости от причин и сроков длительности. Выделяют четыре фазы цикла: пик высшая точка экономической активности спад рецессия низшая точка активности подъем экспансия. Фазы экономического цикла изображены на рис.
34919. Антиинфляционная политика государства и социально-экономические последствия инфляции 29 KB
  Социальноэкономические последствия инфляции проявляются в следующем: 1. Если номинальный доход остается стабильным или растет медленнее темпов инфляции то реальный доход падает. Именно поэтому в период инфляции в наибольшей степени страдают люди с фиксированными доходами.
34920. Безработица. Виды безработицы. Естественный уровень безработицы 28.5 KB
  Виды безработицы. Естественный уровень безработицы Безработица ее виды и причины Безработица неотъемлемое свойство рыночной системы хозяйствования. На основании данных о занятости и безработице определяется уровень безработицы. Уровень безработицы – удельный вес численности безработных в численности экономически активного населения .
34921. Бюджетные линии и кривые безразличия 56.5 KB
  Осуществление потребительского выбора характеризуется при помощи набора безразличия набора вариантов потребительского выбора каждый из которых обладает одинаковой полезностью. Графическим отображением набора безразличия является кривая безразличия. Набор кривых безразличия для одного потребителя и для одной пары благ составляет карту кривых безразличия.
34922. Бюджетный дефицит 27 KB
  Наличие дефицита может быть следствием: кризисных явлений в экономике; неспособности правительства держать под контролем финансовую ситуацию в стране; чрезвычайных обстоятельств войны крупных стихийных бедствий; милитаризации экономики в мирное время; осуществления крупных централизованных вложений в развитие производства и осуществление структурной перестройки; увеличения темпов роста социальных расходов по сравнению с темпами роста валового внутреннего продукта и т. Несбалансированность имеет краткосрочный характер если несоответствие...
34923. ВВП и другие показатели дохода 32 KB
  ВВП и другие показатели дохода Основным макроэкономическим показателем рыночной экономики безусловно является ВВП. Следует заметить что в ВВП не включается стоимость промежуточных товаров и услуг которые необходимы для осуществления самого процесса производства поскольку они уже входят в стоимость товарной продукции. ВВП – это внутренний продукт поскольку в его создании участвуют только резиденты данной страны т. Соответственно в первом случае мы имеем ВВП и ВНД а вычитая из них потребление основного капитала мы получаем чистый...