48073

Матеріалознавство та технологія матеріалів

Конспект

Производство и промышленные технологии

Кристалізація металів. Механічні властивості металів та методи їх визначення Мета: Ознайомити студентів з основними поняттями конструкційних матеріалів: будовою та властивостями металів роллю вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства з основними механічними властивостями металів і сплавів та методами їх випробування. Кристалічна будова металів будова і властивості реальних кристалів. Плавлення металів.

Украинкский

2013-12-15

1.4 MB

44 чел.

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Херсонська державна морська академія

ФАКУЛЬТЕТ СУДНОВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Кафедра технічної механіки, інженерної та комп'ютерної графіки

Реєстр №_________________

Шифр № _________________

тексти лекцій (16 год.)

з дисципліни «Матеріалознавство та технологія матеріалів»

підготовки бакалавра  

галузей знань: 0701 – транспорт і транспортна інфраструктура

       0507 – електротехніка та електроніка

напрями:     6.070104  – «Морський та річковий транспорт»,

           6.050702  – «Електромеханіка»

професійне спрямування: «Експлуатація суднових енергетичних

установок»

Спеціалізація: «Експлуатація електрообладнання і автоматики

суден»

курс перший, на базі повної загальної середньої освіти

форма навчання: денна

Херсон – 2011

Тексти лекцій розробив у відповідності з робочою навчальною програмою к.ф-м.н. доцент кафедри технічної механіки, інженерної і комп’ютерної графіки Моісеєнко Л.Л.

 

Тексти лекцій розглянуто і ухвалено на засіданні кафедри технічної механіки, інженерної і комп’ютерної графіки

01.09.2011 р.     протокол №1

Завідувач кафедри     професор Букетов А.В.

Начальник навчально-методичного

відділу       Черненко В.В.

1-й змістовий модуль: Основи матеріалознавства

Лекція 1.1  Вступ.  Історія розвитку науки про метали, їх кристалічна будова. Кристалізація металів. Механічні властивості металів та методи їх визначення

Мета: Ознайомити студентів з основними поняттями конструкційних матеріалів: будовою та властивостями металів, роллю вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства, з основними механічними властивостями металів і сплавів та методами їх випробування.

  1.  Предмет і зміст курсу.
  2.  Знайомство з рекомендованою літературою.
  3.  Міжпредметні зв’язки курсу технології матеріалів з навчальними дисциплінами за фахом підготовки.
  4.  Поняття про матеріалознавство, як науку, та її виникнення. Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку цієї науки.
  5.  Кристалічна будова металів, будова і властивості реальних кристалів.
  6.  Поняття про агрегатні стани речовин, алотропія.
  7.  Плавлення металів. Механізм кристалізації металів.
  8.   Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури і властивостей.
  9.  Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні.
  10.   Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження і величин, що їх характеризують.
  11.   Поняття про пружну і пластичну деформацію.
  12.   Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг.
  13.   Особливості різних методів визначення твердості металів.
  14.   Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів.

Рекомендована література

[1. с. 9 – 45, 54 – 75; 3. с. 9 – 25, 38 – 46; 4. с. 5 – 20; 5. с. 5 – 57; 6. с. 46 – 67]

Предмет і зміст курсу. Технологія матеріалів – комплексна навчальна дисципліна про способи виробництва, переробки та обробки конструкційних матеріалів, що використовуються у всіх галузях народного господарства, зокрема, у суднобудуванні.

Технологія матеріалів включає в себе поняття металургії та механічної обробки матеріалів.

До металургії відносяться виробничі процеси одержання металів, очистки їх від небажаних домішок (рафінування), виробництво сплавів, порошкова металургія, термічна та хіміко-термічна обробка металів і сплавів, обробка тиском, ливарна справа, зварювання та пайка металів, покриття металів шаром іншого металу тощо.

До механічної обробки відносять обробку зі зняттям стружки різальними інструментами (різання різцями, свердлами, фрезами) та без різальних інструментів (лазерна, плазмова, ультразвукова, електроіскрова обробка).

Курс технології матеріалів для спеціальностей судноводіння та енергетики суден передбачає вивчення основних програмних питань, зокрема:

  •  будову  та основні механічні властивості металів, основні методи їх визначення;
  •  види сплавів, їх будову, маркування, використання;
  •  поняття про діаграму стану бінарних сплавів, зокрема, залізо-вуглець та використання діаграми для практичних цілей;
  •  виробництво чавуну, сталі та інших сплавів;
  •  основи теорії та технологія термічної обробки металів;

-     поверхневе зміцнення сталі;

-     вивчення технології зварювання металів та обробка металів тиском;

  •  використання кольорових металів і сплавів та неметалічних матеріалів.

Знайомство з рекомендованою літературою. Перелік літературних джерел досить значний. Та все ж доцільно використати, в основному, наступні підручники та посібники:

  1.  Сологуб М.А. Технологія конструкційних матеріалів. – К.: Вища школа, 2002. – 374 с.
  2.  Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов. – К.: Выща школа, 1991. –  391 с.
  3.  Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. –  Л.: Машиностроение, 2005. – 363 с.
  4.  Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.: Металлургия, 1988. – 320  с.
  5.  Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционных материалов. – М.: Высшая школа,  2006. –  276 с.
  6.  Кондратюк С.Е. Металознавство та обробка металів. – К.: ВІКТОРІЯ, 2000. – 372 с.  
  7.  Гуляев А.П.  Металловедение.  –  М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
  8.  Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 2005. – 592 с.
Міжпредметні зв’язки курсу технології матеріалів з навчальними дисциплінами за фахом підготовки. Курс технології матеріалів разом з іншими загальнотехнічними дисциплінами дає можливість курсантам всіх спеціальностей необхідну загальноінженерну підготовку, забезпечує одержання міцного фундаменту знань, необхідних для практичної фахової роботи.
Для засвоєння програмного матеріалу досить суттєвим є навчальна підготовка з фізики, хімії, математики та інженерної графіки. Основні положення та закони з розділів теплоти та механіки курсу фізики є вкрай необхідними знаннями в процесі вивчення технології матеріалів.
Поняття про матеріалознавство, як науку, та її виникнення. Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку цієї науки. Матеріалознавство – наука, що встановлює зв’язок між складом, структурою та властивостями  металів і сплавів та вивчає закономірності їх змін при теплових, хімічних, механічних і інших впливах.
Люди познайомились з металами ще в глибоку давнину (золото, срібло, мідь). В середньовіччя були відомі сім металів (золото, срібло, мідь, залізо, свинець, олово, ртуть). До того ж, слід пам’ятати, що рівнем виробництва металів та інших конструкційних матеріалів визначається могутність держави.  
Вперше існування зв’язку між будовою сталі і її властивостями було встановлене П.П. Аносовим (1799-1839).
Основи наукового матеріалознавства були закладені відомим російським металургом Д.К. Черновим (1839-1921) та розвинуті Н.С. Курнаковим.
Значний вклад у розвиток матеріалознавства внесли наукові роботи відомих вчених Осмонда (Франція), Юм-Розери и Н. Мотта (Англія), Ф. Зейтца, Е. Бейна і Р. Мейла (США), Таммана і Ганемана (Німеччина) і ін.
Всі метали і сплави прийнято поділяти на дві групи: чорні і кольорові. Найбільше розповсюдження знайшли чорні метали (залізо, нікель, кобальт, марганець та сплави на їх основі).
Кристалічна будова металів, будова і властивості реальних кристалів. Метали – кристалічні тіла. Їх атоми розташовані в геометрично правильному порядку і утворюють кристали. В просторі атоми металів утворюють кристалічну решітку (слайд 1.1-1).
Найбільш розповсюдженими кристалічними решітками є: кубічна, кубічна об’ємноцентрована (ОЦК), кубічна гранецентрована (ГЦК) та гексагональна щільно-упакована (ГПУ). У вузлах зазначених решіток розташовані атоми металів. В реальних умовах геометрична правильність розташування атомів може бути дещо порушеною (структурна недосконалість).
В різних площинах кристалічної решітки атоми розташовані з різною щільністю і тому певні властивості кристалів в різних напрямках неоднакові. Ця різниця властивостей кристалів зветься анізотропією властивостей. На відміну від кристалів аморфні тіла (скажімо, смоли) мають однакові властивості у всіх напрямках, і тому є ізотропними.
Метали представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості мілких (1000-0,1 мкм), по різному орієнтованих, кристалів.

Поняття про агрегатні стани речовин, алотропія. Речовина в залежності від змін зовнішніх умов – температура, тиск – може переходити з одного агрегатного стану в інший. Перехід метала із рідкого стану у твердий (кристалічний) називається кристалізацією. У 1878 р. відомий російський вчений Д. К. Чернов встановив, що процес кристалізації складається із двох стадій: зародження центрів кристалізації і росту кристалів з цих центрів.

В процесі росту кристалів при їх дотику утворюються зерна, які повернуті один відносно іншого. Розмір зерен впливає на механічні властивості металу.

Здатність металів у твердому стані мати різну кристалічну будову і, як наслідок, різні властивості при різних температурах, називається алотропією або поліморфізмом. Процес переходу із однієї кристалічної форми в іншу  зветься алотропним (поліморфним) перетворенням.

В процесі алотропного перетворення (при охолодженні) виділяється прихована теплота кристалізації і тому на кривій охолодження це алотропне перетворення характеризується горизонтальною ділянкою (привести криву охолодження – слайд 1.1-2).

Плавлення металів. Механізм кристалізації металів. Плавлення металу – це перехід речовини із твердого стану у рідкий при підвищенні температури. Заслуговує на увагу процес переходу із рідкого стану в твердий (утворення кристалів в металах і сплавах – первинна кристалізація), а також перекристалізація у твердому стані (вторинна кристалізація) при їх охолодженні.

Процес кристалізації (плавлення) металу представляють у вигляді кривих в координатах температура – час, який автоматично викреслюється самописцем. Температура, що відповідає будь-якому перетворенню в металі, називається критичною температурою (точкою) фазового перетворення. На кривій охолодження горизонтальна ділянка ав характеризує незмінність температури при продовженні охолодження. Це свідчить про те, що при кристалізації виділяється теплова енергія.

  

Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури і властивостей. При утворенні центрів кристалізації від них ростуть первинні осі майбутніх кристалів. Первинні кристали нагадують структуру дерева і одержали назву дендритів. В процесі зростання кристали в певний момент зіштовхуються (торкаються один одного), заважаючи росту один одного в різних напрямках, в наслідок чого одержують випадкову зовнішню форму – зерна. Розмір і кількість зерен в кінці кристалізації залежать від швидкості зародження (кількості центрів) і росту кристалів, які в свою чергу, визначають швидкість охолодження металу, що затвердів. З підвищенням швидкості охолодження число зародків зростає більшій степені, ніж швидкість їх росту, тому розмір зерен в металі зменшується, чим і пояснюється залежність механічних властивостей.

Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні. У металів виділяють механічні, технологічні, фізичні та хімічні властивості. До фізичних властивостей відносять колір, густину, температуру плавлення, електро- та теплопровідність, теплоємність, магнітні властивості, розширення та стиснення при нагріванні, охолодженні та фазових перетвореннях. До хімічних – окислюваність, розчинність, корозійна стійкість, жаротривкість. До технологічних – прожарюваність (прогартованність), рідкотекучість, ковкість, зварюваність, оброблюваність різанням.

Механічні властивості. Механічні властивості характеризують стан металів при зовнішньому впливу навантаження. До механічних властивостей відносять:

міцність – здатність матеріалу опиратися руйнуванню та появі залишкової деформації під впливом зовнішніх сил;

твердість – здатність матеріалу опиратися впровадженню в нього іншого біль твердого тіла;

пружність – властивість матеріалу відновлювати свою форму після припинення дії зовнішніх сил, що викликали деформацію;

в’язкість матеріалу – його здатність поглинати механічну енергію і при цьому проявляти значну пластичні аж до руйнування;

пластичність – властивість металів, що дає можливість обробляти їх тиском (кувати, прокатувати, волочити).

Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження. Поняття про пружну і пластичну деформацію. Зовнішнє навантаження створює в металі напругу, рівну відношенню навантаження до площі перерізу випробовуваного зразка. Напруга викликає деформацію металевого зразка – пружну, що зникає після припинення дії сили, або пластичну, що залишається після зняття навантаження.

При надмірній пластичній деформації відбувається руйнування металу. Здатність металу опиратися деформації і руйнуванню характеризують його міцність.

 

Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг. Міцність металів визначають на спеціальних зразках їх розтягуванням, стисканням, згинанням, крученням. Найчастіше міцність металу характеризується межею міцності при розтягуванні часовим опором σв, Па:

                                             σв=,

де Рвmaxмаксимальне навантаження, яке витримує зразок перед руйнуванням, Н; F0 – початковий переріз зразка, м2.

Разом з міцністю при розтягуванні визначають і пластичність матеріалу за відносним видовженням:          

де lk – довжина зразка після розриву, мм ;  l0 – початкова довжина зразка, мм. Оцінити пластичність металу можна за відносним звуженням площі перерізу ψ:

,

де F0 – початкова площа перерізу зразка, мм2 ;   F1 – площа перерізу в місці розриву, мм2.

Особливості різних методів визначення твердості металів. Важливою характеристикою металів являється твердість. Твердість визначають різними методами, зокрема, методом Бринелля, методом Роквелла, методом Віккерса, а також шляхом визначення мікротвердості.

За методом Бринелля у плоску поверхню металу під постійним навантаженням Р вдавлюється стальна загартована кулька діаметром D (10; 5; 2.5 мм). В результаті на поверхні зразка залишається відбиток у формі кульового сегмента діаметром d, мм. Число твердості за Бринеллем визначають:

За методом Роквелла твердість визначається за глибиною відбитка. Наконечником служить алмазний конус з кутом при вершині 120о або стальна кулька діаметром  D = 1,58 мм (1/16 дюйма). Стальну кульку використовують для нетвердих матеріалів (до 220 НВ) при навантаженні 981 Н (100 кГ). Попереднє навантаження на індентор становить 98 Н (10 кГ).

Твердість за методом Роквелла HR являється величиною умовною, що характеризує різницю глибин відбитків. Для дуже твердих матеріалів використовують алмазний конус при навантаженні на нього 588 Н (60 кГ).

За методом Віккерса, де в якості індентора використовують алмазну чотиригранну піраміду з кутом при вершині 136о, при навантаженні на неї від 1 до 100 кГ, можна визначати твердість як м’яких, так і дуже твердих металів і сплавів.

Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів. Технологічні властивості визначають за технологічними пробами, що дозволяють одержати якісну оцінку придатності металів до різних видів обробки (наприклад, глибокої штамповки-витяжки та ін.). До таких випробувань (проб) належать випробування (проби) на: видавлювання,  перегин,  осідання,  іскру,  зварюваність.

 Лекція 1.2  Металічні сплави та їх будова. Поняття про діаграми бінарних сплавів

Мета: Ознайомити студентів з будовою сплавів, способами їх одержання, перевагами над чистими металами. Дати поняття діаграм стану сплавів і методів їх побудови, основних типів діаграм стану бінарних сплавів, взаємозв’язку відповідних діаграм та властивостей цих сплавів.

  1.  Поняття про сплави, умови їх створення та способи одержання.
  2.  Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами.
  3.  Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики.
  4.  Будова сплавів: тверді розчини і хімічні сполуки та їх характеристики.
  5.  Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та, одержувані з їх допомогою, відомості про будову і властивості сплавів.
  6.  Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.
  7.  Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані обмежено та необмежено розчинюються один в одному.
  8.  Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких утворюють стійкі хімічні сполуки.
  9.   Характеристика діаграм склад –  властивість.

Рекомендована література

[1. с. 88 –139; 3. с. 49 – 70; 4. с. 20 – 26; 5. с. 62 – 63, 69 – 90; 6. с. 67 – 75; 7. с. 6 – 8 ]

Поняття про сплави, умови їх створення та способи одержання. Металічні сплави представляють собою  поєднання двох або кількох компонентів (металів і неметалів), у яких зберігаються металеві властивості.

Більшість сплавів одержують в рідкому стані шляхом сплавляння, проте можуть бути одержані шляхом спікання, електролізу, конденсації.

Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами. Чисті метали у більшості випадків не володіють необхідним комплексом механічних та технологічних властивостей і тому рідко використовуються для виготовлення виробів. В більшості випадків в техніці застосовують сплави.

Використання сплавів обумовлене ще й тим, що крім наявності у них специфічних властивостей або їх поєднання, властивості сплавів можна змінювати при допомозі пластичної деформації, термічної або термомеханічної обробки значно сильніше ніж металів.

Будова сплавів: механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки та їх характеристики. У твердому стані в сплавах можуть утворюватись тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.

Твердим розчином двох (або більше) компонентів називають однорідне тверде тіло, що має певний тип кристалічної решітки (ОЦК, ГЦК, ГПУ та ін.). Тверді розчини представляють собою однофазні сплави змінного хімічного складу, в яких зберігається кристалічна решітка одного з компонентів. Речовина, кристалічна решітка якої зберігається у твердому розчині, називається розчинником. Розрізняють тверді розчини заміщення та тверді розчини впровадження.

Тверді розчини заміщення. В цьому випадку атоми розчиненого компонента займають частину вузлів кристалічної ґратки розчинника – заміщують його атоми (слайд 1.2-1). Такі розчини утворюються при умові різниці атомних радіусів компонентів не більше як на 8...15 % і тому є обмеженими. Цей вид твердих розчинів може мати постійну і змінну взаємну розчинність компонентів при зміні температури.

Тверді розчини впровадження утворюються між металами і неметалами (вуглець, азот, водень), які характеризуються малими атомними радіусами порівняними за розмірами з порами у кристалічній решітці металів. Як правило, утворюються тверді розчини впровадження на базі перехідних металів (Fe, Co, Mn та ін.). Атоми розчиненого компонента “розсовують” атоми розчинника – параметри його кристалічної ґратки збільшуються (слайд 1.2-2).

Розчинність у твердому стані може бути обмеженою і необмеженою. При утворенні твердих розчинів властивості сплавів можуть змінюватись плавно в залежності від складу елементів і відрізняються від властивостей чистих металів, з яких вони утворені.

Хімічні сполуки – це поєднання компонентів у їх строгому масовому співвідношенні, що виражаються відповідною формулою AmBn (розташування атомів компонентів у кристалічній решітці строго впорядковане), утворюють нову упаковку, що відрізняється від кристалічних ґраток елементів, що сплавляються і мають постійну температуру плавлення. Прикладом хімічної сполуки є карбід заліза Fe3C.

Механічна суміш. Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного із компонентів. Механічна суміш сплаву може складатися із двох і більшого числа фаз. При цьому кожна з фаз зберігає свій тип кристалічної ґратки. Сплави – механічні суміші – неоднорідні і можуть мати змінний відсотковий вміст компонентів. Такі суміші утворюються при значній різниці атомних радіусів елементів і температур плавлення.

Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та одержувані з їх допомогою відомості про будову і властивості сплавів. Як зазначалося раніше, теоретичні основи розробки діаграм стану сплаві були закладені ще Д.К. Черновим, який вивчав структурні та фазові перетворення в сталях при нагріванні.

Агрегатні та фазові стани сплавів згідно закону Гіббса визначаються температурою і хімічним складом. Взаємозв’язок фазового складу і змінних факторів описується діаграмою стану сплаву. Діаграма стану представляє собою графічне зображення фазового стану сплавів в залежності від температури і концентрації в умовах рівноваги.

За діаграмою стану сплавів можна оцінювати властивості всіх сплавів системи, прослідкувати за перетвореннями, що відбуваються при їх нагріванні і охолодженні, визначити температуру початку та кінця плавлення (затвердіння) сплаву, з’ясувати, чи буде сплав однорідним тощо. Діаграма стану дозволяє вибирати температуру нагрівання сплаву при термічній обробці сплаву, при обробці тиском, температуру нагрівання для лиття.

Побудова діаграми стану здійснюється за кривими охолодження, одержаними шляхом термічного аналізу. Діаграми стану часто називають діаграмами фазової рівноваги, оскільки критичні точки визначаються при надто повільному нагріванні або охолодженні сплавів системи. Діаграма стану будується в системі координат, де по вертикалі розташовують шкалу температур, а по горизонталі – вісь концентрацій компонентів. При такій побудові діаграма відбиває стан сплаву будь-якої концентрації при будь-якій температурі.

Характеристика діаграми стану сплавів – механічні суміші. Для випадку, коли у твердому стані компоненти сплаву взаємно нерозчинні діаграма має наступний вигляд (слайд 1.2-3). Така діаграма складається із двох ліній: верхньої – ліквідус (рідкий) і нижньої – солідус (твердий). Плавлення і затвердіння сплавів-сумішей відбувається в інтервалі температур між цими лініями (ліквідусу і солідуса). Вище лінії ліквідусу сплав знаходиться в рідкому стані, а нижче лінії солідуса – в твердому. Тільки сплав з концентрацією компонентів, що відповідає точці С, плавиться і твердне при постійній температурі, як і чисті метали. Цей сплав після затвердіння складається із суміші мілких зерен обох компонентів. Така суміш зветься евтектикою (з грецької “легкоплавкий”), а сплав – евтектичним і має найнижчу температуру плавлення.

Характеристика діаграми стану сплавів – твердих розчинів. Діаграма стану сплавів, компоненти яких А і В володіють  необмеженою розчинністю один в одному має наступний вигляд (слайд 1.2-4). Вище лінії ліквідусу сплави знаходяться в однофазному рідкому стані, між лініями ліквідусу і солідусу – в двохфазному стані (кристали твердого розчину і рідина) і нижче лінії солідусу – в однофазному твердому стані: із зерен твердого розчину компонентів А і В. Сплави – тверді розчини на відміну від чистих компонентів затвердіють і плавляться в інтервалі температур між лініями ліквідусу і солідусу. У випадку обмеженої розчинності компонентів на діаграмі стану нижче лінії солідусу буде ще одна лінія, що відображає цю розчинність.

Характеристика діаграм склад –  властивість. Практична цінність діаграм стану  полягає ще й у тому, що поряд з відображенням агрегатного і фазового стану сплавів, вона відображає зміну їх властивостей. Вперше цей зв’язок встановив Н.С. Курнаков у вигляді діаграм “склад – властивість” (Л.2 – с. 8). Так для сплаву – механічні суміші властивості (твердість, електропровідність і ін.) змінюються за лінійним законом. В сплавах – тверді розчини ці властивості змінюються по кривій з максимумом або мінімумом.

Встановлено, що тверді розчини володіють підвищеною пластичністю, тому добре обробляються тиском. Наявність евтектики в сплавах, навпаки, робить їх більш крихкими, але покращує ливарні властивості.  

Лекція 1.3 Діаграма стану залізо-вуглець: складові та особливості будови, призначення та використання.

Мета: Ознайомити студентів із значенням діаграми стану залізо-цементит, властивостями основних компонентів залізовуглецевих сплавів, особливостями побудови діаграми та її фазовими і структурними складовими.    

  1.  Призначення діаграми стану залізо – цементит.
  2.    Характеристика компонентів: заліза і вуглецю.
  3.  Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових.
  4.    Особливості діаграми стану. Характеристика крапок і діаграми.
  5.    Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні.
  6.    Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.
  7.    Практичне застосування діаграми.
  8.    Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом;  б) призначенням;  в) якістю;  г) способом виробництва;   д) будовою;   е) способами розкислення.

  1.    Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.
  2.   Переваги і недоліки вуглецевих сталей.
  3.   Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.
  4.   Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.
  5.   Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.
  6.   Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.
  7.   Поняття про  спеціальні чавуни.
  8.   Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей.

Рекомендована література

[1. с. 142 – 160, 160 –198; 3. с. 71 – 83; 4. с. 58 – 61, 62 – 65; 5. с. 90 – 102,  102 – 105, 111 – 120; 6. с.  75 – 88 ]

Призначення діаграми стану залізо – цементит. Діаграма стану або діаграма фазової рівноваги у зручній формі показує фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури та концентрації. Спрощена діаграма стану сплаву заліза з вуглецем  побудована в інтервалі концентрацій вуглецю 0...6,67%, тобто до утворення хімічної сполуки карбіду заліза Fe3C, який поводить себе як самостійний компонент. То ж можна вважати компонентами залізовуглецевих сплавів залізо і карбід заліза.

Діаграми стану дозволяють визначити фазові перетворення в умовах дуже повільного охолодження та нагрівання. Ці діаграми характеризують кінцевий стан сплавів, коли всі перетворення в них закінчилися. Цей стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температура, тиск) і характеризується числом і концентрацією утворених фах.

Як правило, діаграми стану одержують експериментально і будують в координатах температура – концентрація у відсотках за масою. При цьому використовують криві охолодження застосовуючи термічний аналіз.

Характеристика компонентів сплаву: заліза і вуглецю. До залізо-вуглецевих сплавів належать сталі та чавуни. Для одержання заданих властивостей в сталь та чавун вводять легуючі елементи.

Чисте залізо – метал сріблястого кольору, порівняно мякий і пластичний, з густиною γ = 7,86 г/см3 та температурою плавлення  tпл =1539 оС. Міцність заліза складає 250 МПа, твердість НВ 60...80, пластичність δ = 45 %.

При атмосферному тиску в інтервалі температур від абсолютного нуля до 911 оС залізо має ОЦК кристалічну решітку (α-Fe). При температурі  911 оС відбувається поліморфне перетворення (утворюється ГЦК кристалічна решітка γ-Fe) стійке до 1392 оС (слайд 1.3-1); вище 1392 оС залізо знову переходить в фазу α-Fe, яку нерідко позначають як  δ-залізо. Таким чином, критична температура перетворення α ↔ γ становить 1392 оС, а  критична температура перетворення  γ ↔ α  –  911 оС.

Вуглець являється неметалевим поліморфним елементом. Температура плавлення вуглецю tпл =1539 оС. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді модифікації графіту.

Вуглець розчиняється в залізі у рідкому і твердому станах, а також може знаходитися у вигляді хімічної сполуки Fe3C – цементиту, а у високовуглецевих сплавах і у вигляді графіту.

Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових. В системі FeC розрізняють наступні фази: рідкий сплав, тверді розчиниферит і аустеніт, а також цементит і графіт.

Твердий розчин вуглецю в α-Fe і δ-Fe називається феритом (слайд 1.3-2), а в γ-Feаустенітом (слайд 1.3-3). Розчинність вуглецю в α-Fe досить мала і тому властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Аустеніт має ГЦК решітку з крупними (в центрі куба) порами, зручними для розміщення атомів вуглецю, тому в γ-Fe розчиняється від 0,765 до 2,14 % С. Аустеніт – парамагнітна пластична фаза і його властивості залежать від вмісту вуглецю. Ферит і аустеніт, як і чисті метали, мають зернисту будову.

Цементит – хімічна сполука Fe3C (карбід заліза), що містить 6,67 % С, відрізняється високою твердістю (≥800НВ) крихкістю, температура плавлення 1600 оС. Кристалізується цементит по лінії ліквідусу СD (разом з тим, по лінії ліквідусу АС кристалізується аустеніт). В точці С при температурі 1147 оС і вмісту в розплаві 4,3 % С одночасно кристалізуються аустеніт і цементит, утворюючи при цьому евтектику – ледебурит.

Сплави заліза з вуглецем, в яких в результаті первинної кристалізації в рівновазі утворюється аустенітна структура, називають сталями. Отже сталі – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % C.

Сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, в яких при кристалізації утворюється евтектика ледебурит, називають чавунами. Отже, чавуни – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % C.

Особливості діаграми стану. Характеристика крапок діаграми. Лінії ліквідусу АСD та солідуса AECF та їх відповідні відрізки GC, SE i PSK відображають перетворення в сплавах після затвердіння. Точка Е, що відповідає концентрації 2,14 % С, є критичною точкою і вертикаль, проведена через цю точку, поділяє залізовуглецеві сплави за структурою на дві групи (рис. 1.3-1 – діаграму стану залізо-цементит).

Зліва від вертикалі через цю точку розташовані сплави, які тверднуть з утворенням твердого розчину вуглецю в γ-залізі, що зветься аустенітом (А). Ці сплави досить пластичні, здатні оброблюватися тиском, їх звуть сталями.

Сплави, що  праворуч від вертикалі через точку Е, з вмістом вуглецю більше 2,14 % С, тверднуть з утворенням евтектики (ледебуриту), що зменшує пластичність цього сплаву, але покращує ливарні властивості. Ці сплави називають чавунами.

Зазначені сплави (сталі і чавуни) є основними сплавами на основі заліза в системі Fe-C. 

Рисунок 1.3-1 – Діаграма стану залізо-цементит

Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні. Користуючись діаграмою стану залізо-цементит ( рис. 1.3-1) аналізуємо та коментуємо фазовий склад та ті фазові перетворення які відбуваються при відповідних температурах для доевтектоїдної (0,3 % С), евтектоїдної (0,8 % С) та заевтектоїдної  (1,2 % С) сталях при їх нагріванні та охолодженні.

Такий же аналіз з коментарями проводимо, користуючись зазначено діаграмою, і для чавунів – доевтектичного білого (3,0 % С), евтектичного білого (4,3 % С) та заевтектичного білого (5,0 % С) відповідно при нагріванні та охолодженні.

Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.  Діаграми склад – властивість (слайд 1,3-4, Л.3 с. 74) є найцінніший додаток до діаграм стану сплавів: вони характеризують зміну властивостей сплаву в залежності від складу сплаву.

Ці діаграми дають інформацію про характер змін твердості та електропровідності в залежності від виду діаграм стану. Поряд із визначенням твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначати ливарні властивості, здатність піддаватися обробці тиском, різанням тощо.

Практичне застосування діаграми. Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит використовується практично для визначення температури плавлення та початку і кінця кристалізації для різних марок сталей та чавунів, визначати їх фазовий склад, температури фазових перетворень, оцінювати режими їх термічної обробки.

Лекція 1.4  Лекція 1.4 Будова, маркування, властивості та застосування вуглецевих сталей і чавунів. Поняття про леговані сталі. 

Мета: Ознайомити студентів із класифікацією, позначеннями і застосуванням вуглецевих сталей і чавунів, легованих сталей,  впливом легуючих елементів на структуру, властивості та фазові перетворення в сталі.

  1.   Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом;

б) призначенням;

в) якістю;

г) способом виробництва;

д) будовою;

е) способами розкислення.

  1.  Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.
  2.  Переваги і недоліки вуглецевих сталей.
  3.  Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.
  4.  Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.
  5.  Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.
  6.  Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

9  Поняття про леговану сталь.

  1.  Розподіл легуючих елементів у сталях.
  2.   Вплив легуючих елементів на властивості сталей.
  3.   Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі.
  4.  Класифікація легованих сталей.
  5.  Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування.
  6.  Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування.
  7.  Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування.
  8.  Переваги і недоліки легованих сталей.
  9.  Класифікація кольорових металів.
  10.  Властивості і застосування міді та сплавів на її основі.
  11.  Властивості і застосування алюмінію та сплавів на його основі .
  12.   Титан і характеристика сплавів на основі титану.
  13.   Характеристика сплавів на основі магнію.

Рекомендована література

[1. с. 403 –434, 434 – 443, 478 – 524; 3. с. 192– 210, 221 – 238; 4. с. 85 – 129;  5. с. 105 – 111, 267 – 294; 6. с.  108 – 124,  124 – 132 ]

Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) за хімічним складом (вмістом вуглецю) сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С). Крім того, сталі містять крім вуглецю до 0,4 %  Si, 0,5…0,8 % Mn  і по 0,2...0,6 %  S  і  P. Кремній і марганець є корисними домішками, розчиняючись у фериті, зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі,  в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості називаються легованими.

б) за призначенням  всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні     (С≤ 0,8 %)  та інструментальні (С ≥ 0,8 %).  Існують також леговані сталі. У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше зміцнюють кремній, марганець і нікель.  

У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (≤0,04 %). Ці сталі маркують числами 08, 10, 15, 20, ..., 85, що вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка.     

Число на початку марки конструкційної сталі вказує на вміст вуглецю у сотих долях відсотка, цифри після букв – середній вміст позначеного буквами елемента у відсотках, наприклад, 18Х2Н4В (0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, 1 % W).

Інструментальні сталі поділяють на якісні: У7, У8...У12, У13 та високоякісні: У7А, У8А...У12А, У13А. Числа в марці сталі вказують на вміст вуглецю у десятих долях відсотка. Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних, вимірювальних та інших інструментів.

в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору. До сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом до 0,04...0,06 % сірки та фосфору. Позначають їх буквами Ст і цифрою – номером сталі, наприклад Ст1, Ст3, а таж вказується ступінь розкислення сталі: кипляча (кп), напівспокійна (пс), спокійна (сп), наприклад, Ст2кп, Ст4сп.

г) способом виробництва вуглецеві сталі звичайної якості випускаються гарячо- та холоднокатаними, у вигляді заготовок з установок безперервного лиття, труб, поковок, штамповок, стрічки, дроту. Вуглецева якісна сталь випускається гарячекатаною і кованою.   

д) будовою сталі можуть бути відповідно перлітні, карбідні, феритні, аустенітні та мартенситні. Вони відрізняються механічними та технологічними властивостями.          

Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою. Як вуглецеві сталі чавуни містять постійні домішки, але в більших кількостях (3...3,5 % С; 1,5...3,0 % Si; біля 0,5 % Mn; до 0,12 % S  та 0,3 % P). Графіт у сірому чавуні виділяється у вигляді пластинок, пластівців та кульок.

Чавуни з пластинчастим графітом називають звичайними сірими. Механічні властивості чавунів обумовлені їх структурою, що визначається не тільки хімічним складом, але й умовами затвердіння. Тому в марках чавунів зазначається їх властивості. Наприклад, марка сірого чавуну СЧ15 визначається: звичайний сірий чавун (СЧ) з межею міцності на розтяг 15 МПа.

Ковкі чавуни одержують з білих. При тривалому відпалюванні цементит розпадається з виділенням графіту у вигляді пластівців. Такі включення роблять чавун міцнішим і пластичнішим сірого чавуну і збільшують ударну в’язкість. Позначають ковкий чавун буквами КЧ, перше число в марці вказує межу міцності на розтяг, друге – відносне видовження, наприклад, КЧ 33-8.

Високоміцні чавуни містять графітні включення кулястої форми. Механічні властивості таких чавунів значно вищі: межа міцності на розтяг досягає 1200МПа, відносне видовження складає 2...17 %, а ударна в’язкість – 0,2...0,6 МДж/м2. такий чавун у ряді випадків може замінювати сталь. Позначають його буквами ВЧ і числом – межею міцності на розтяг, наприклад, ВЧ 80.   

 

Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості. Більша частина вуглецю в сірому чавуні знаходить у вигляді пластинок (луски) графіту, що частково розмежовує металічну суцільність сплаву (звідси крихкість). До складу чавуну входить кремній (масовий вміст – 0,8...3,6 %) як компонент, що сприяє утворенню сірого чавуну. Утворюючи з залізом силіциди сприяє виділенню графіту. Зменшення таким чином в чавуні цементиту покращує оброблюваність його різальними інструментами. При цьому також знижується температура плавлення і покращення формоутворенню відливок.

Марганець збільшує стійкість карбіду заліза при затвердінні і охолодженні чавуну.

Сірка знижує рідкотекучість чавуну, роблячи його густим, що погано заповнює форму, надає чавуну крихкість. Максимально допустимий вміст сірки в ливарному чавуні до 0,07 %.

фосфор створю в чавуні тверду і крихку фосфідну евтектику. Фосфор також знижує температуру плавлення,  збільшує його рідкотекучість і зменшує усадку. Це дає можливість одержувати із фосфористого чавуну тонкі відливки з чистою і гладкою поверхнею, що використовують при художньому литті.  

Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей. Крім вуглецю у складі вуглецевої сталі завжди присутні кремній, марганець, сірка і фосфор, які певним чином впливають на властивості сталі. З підвищення масового вмісту вуглецю твердість, часовий опір σв і межа пружності σпр зростають, разом з тим відносне видовження δ зменшується. 

Постійні домішки сталі звичайно містяться в межах (%): кремній – до 0,5; сірка – до 0,05; марганець – до 0,7; фосфор – до 0,05.

Кремній і марганець в зазначених межах суттєво на властивості сталі не впливають. З підвищенням їх масового вмісту спостерігається зростання твердості і міцності сталі. Це вже вважаються сталі легованими.

Сірка являється шкідливою домішкою, бо утворені нею хімічні сполуки з залізом підвищують червонокрихкість сталі, знижується пластичність і міцність, опір стиранню і корозійна стійкість.

Фосфор придає сталі холодноламкість (крихкість при звичайній та пониженій температурі).   

Поняття про леговану сталь. Низка механічних властивостей як міцність, в’язкість, жаро- та холодостійкість вуглецевих сталей у багатьох випадках не задовольняють умови роботи деталей машин в машинобудуванні та інструментального виробництва.

Покращити властивості сталей можна шляхом введення в них легуючих елементів. Такі сталі називають легованими.

Розподіл легуючих елементів у сталях. Для легування сталі застосовують наступні елементи, які позначають відповідними буквами: Х – хром, Н – нікель, Г – марганець, С – кремній, В – вольфрам, М – молібден, Ф – ванадій, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюміній, Д – мідь, П – фосфор та ін.

Якщо в сталь ввести один легуючий елемент, то сталь називають по цьому елементу, таку сталь називають потрійною, бо вона містить залізо, вуглець і легуючий елемент. Із потрійних сталей застосовують хромисту, марганцеву та кремнієву. При наявності в сталі двох і більше легуючих елементів утворюється складнолегована сталь (хромонікелева, хромокремністованадієва та ін.). Хром, кремній і марганець присутні у більшості легованих сталей.

За сумарним масовим вмістом легуючих елементів можуть бути низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5...10 %) та високолеговані (більше 10 %) сталі.  

Класифікація легованих сталей. Леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та зі спеціальними  фізичними властивостями. До конструкційних легованих сталей належать сталі, які застосовуються для виготовлення цементуючих та покращених термообробкою деталей машин, пружин, шарикопідшипників, жароміцні, зносо- та корозійностійкі сталі. Ці сталі легуються різними елементами: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, Al і ін.

До інструментальних  відносяться  сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю. Тому їх легують в основному елементами, що утворюють карбіди – Cr, W, V, Mo та ін.

До сталей зі спеціальними властивостями належать магнітні матеріали з високим електричним опором, з заданим коефіцієнтом лінійного розширення, з особливими пружними властивостями. В цих матеріалах переважно значний вміст Ni, Cr, Co і ін.

Вплив легуючих елементів на властивості сталей. Різні легуючі елементи по різному впливають на властивості сталей. Так, скажімо, легування сталі нікелем підвищує його прожарюваність (прогартованість), цьому ж сприяє і домішки марганцю, молібдену, хрому, бора. Нікель до того ж підвищує в’язкість і пластичність сталі, знижує температуру порогу холодноламкості. Або, наприклад, домішки алюмінію затримують ріст зерен аустеніту, молібден і вольфрам підвищують стійкість сталі до відпускання тощо.

Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі. Введення більшості легуючих елементів визначає підвищення точок початку і кінця кристалізації, що забезпечую можливість підвищення температури нагрівання легованої сталі для загартування. Леговані сталі мають меншу теплопровідність і потребують біль тривалої витримки для фазових перетворень. Багато легуючих елементів підвищують стійкість мартенситу проти відпускання, тому для досягнення потрібної міцності леговані сталі при відпусканні нагрівають до більш високих температур, ніж вуглецеві.

Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування. Конструкційні низьколеговані сталі загального призначення містять 1,5 – 2,5 % легуючих елементів, які визначають покращення механічних властивостей сталі порівняно з вуглецевими.

Для важких умов тривалих і вібраційних навантажень рекомендовані  сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, термооброблена сталь 10Г2С; для конструкцій без динамічних навантажень – 14Г2, 14Г2АФ, для труб великого діаметра газогонів – 17ГС, 14Г2САФ ін.

Низьколеговані сталі широко використовуються в авто- та суднобудуванні.

Конструкційні сталі виробляють покращеними (термооброблені), цементуючими (з підвищеними твердістю та зносостійкістю поверхневого шару), автоматними (з добрими властивостями при механічній обробці).  

Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування. Як уже зазначалося до інструментальних  відносяться  сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю.

Для ударно-штампувального інструмента використовують високолеговану хромисту сталь, наприклад, марок Х12 (2,0...2,2 % С і 11,5...13,0 % Cr), Х12ВМ і ін. Для різального інструменту використовують: різці, свердла, фрези – сталь 9ХС, для мітчиків, свердел, розверток – ХВГ, 9Х5ВФ, для різання твердих матеріалів – ХВ5.

Швидкорізальна сталь – це високолегована сталь, що володіє червоностійкістю, тобто не втрачає твердість при нагріванні до 600-640 оС. До таких сталей належать сталі марок Р18, Р12, Р5М5, Р14Ф4, Р9К10 та ін. Зокрема, різання конструкційних матеріалів використовують сталі Р9, Р12, Р18; для різьбонарізних інструментів – Р6М5; для обробки в’язких матеріалів – Р18К5Ф2 та ін.

Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування. Сталі спеціального призначення (шарикопідшипникові, високоміцні та зносостійкі, корозійностійкі, жаростійкі т ін.) виготовляють введенням різного сполучення легуючих елементів та виконанням відповідної термічної обробки.

Заслуговують на увагу сталі з особливими властивостями, зокрема, магнітном’які сталі. З них виготовляють осердя трансформаторів, полюсів електромагнітів, реле та роторів електродвигунів.

Магнітнотверді сталі марок ЕХ3, ЕХ5К5, а також У8 та У10 застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Нікелеві сплави (ніхроми) марки Х20Н80 (20 % Cr, 80 % Ni) мають значний питомий опір і використовуються для виготовлення електропечей та побутових нагрівачів.

Для виготовлення деталей приладів з незалежними розмірами від температури використовують залізонікелеві сплави, наприклад, 18ХТФ.

Лекція 1.5 Кольорові метали та їх сплави: маркування, склад, будова, властивості, застосування.

 

Мета: Ознайомити студентів із будовою, маркуванням, властивостями кольорових металів і сплавів, їх застосуванням.

Класифікація кольорових металів.

Властивості і застосування міді.

Характеристика сплавів на основі міді.

Маркування та властивості латуней і бронз. Застосування сплавів на основі міді, зокрема, в суднобудуванні.

Властивості і застосування алюмінію.

Характеристика сплавів на основі алюмінію.

Маркування та властивості дюралюмінію та силуміну. Застосування сплавів на основі алюмінію, зокрема, в суднобудуванні.

Титан і характеристика сплавів на основі титану.

Характеристика сплавів на основі магнію.

Маркування та властивості сплавів на основі титану та магнію. Застосування сплавів на основі титану і магнію, зокрема, в суднобудуванні.

Рекомендована література

[1. с. 403 –434, 434 – 443, 478 – 524; 3. с. 192– 210, 221 – 238; 4. с. 85 – 129;  5. с. 105 – 111, 267 – 294; 6. с.  108 – 124,  124 – 132, 9. с. 388 - 403 ]

Класифікація кольорових металів. Кольорові метали, як правило, мають характерне забарвлення (червоне, жовте, біле), велику пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються на такі групи: легкі, важкі, благородні та рідкі.

До легких металів з густиною менше 5,0 г/см3 належать: магній (1,68 г/см3), берилій (1,8 г/см3 ), алюміній (2,7 г/см3), титан (4,5 г/см3 ), літій (0,543 г/см3), калій (0,862 г/см3), натрій (0,971 г/см3), кальцій  (1,54 г/см3) та ін. На практиці ці метали (за винятком алюмінію) застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.

До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см3, зокрема: свинець (11,3 г/см3), вісмут (9,84 г/см3), мідь (8,9 г/см3), олово (7,29 г/см3), хром (7,14 г/см3), цинк (7,1 г/см3), сурма (6,62 г/см3), та ін.

Властивості і застосування міді. Один з найпоширеніших кольорових металів цієї групи – мідь. Це червоно-рожевий мономорфний метал з питомою густиною γ = 8,96 г/см3 і температурою плавлення tпл. = 1083 °С, який має високу електричну провідність, тому він широко застосовується в електротехніці. У відпаленому стані мідь має міцність σв ≈ 250 МПа, твердість НВ ≈ 45, значну пластичність (δ ≈ 50%). Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють, листи, прутки, дріт.

Характеристика сплавів на основі міді.  Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.).

У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад,  ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn).  Для підвищення міцності та корозійної стійкості, покращення технологічних властивостей в склад латуней вводять Ni, Pb, Sn, Si та інші елементи. З латуні виготовляють листи, прокат, труби, сильфони, втулки тощо.

Легуючі елементи (Sn, Al, Mn, Fe, Si), що входять до складу складних латуней, змінюють їх структуру і властивості, а латуні відповідно називаються олов’янистими, алюмінієвими, марганцевистими, свинцевистими, кремнієвистими або алюмінієвозалізомарганцевистими тощо.

Бронза – це сплав міді з усіма елементами (оловом, алюмінієм, берилієм та ін.), крім цинку. Вона має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості, корозійну стійкість в прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температур. Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у поєднанні з достатньою значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво. Однофазні бронзи добре оброблюються тиском, двохфазні бронзи володіють добрими ливарними властивостями. Бронзи, в залежності від вмісту легуючих елементів, виготовляють олов’яними (4...14 % Sn), алюмінієвими (5...11 % Al), кремнієвими (1...4 % Si), свинцевими (25...30 % Pb), берилієвими (до 3 % Ве).

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 0ЦС8-4-3 (8 % Sn,  4 % Zn, 3% Pb, решта  – мідь).

Властивості і застосування алюмінію. Алюміній (Al)  це метал сріблясто-білого кольору  (γ = 2,7 г/см3,  tпл.≈ 660 ºС), має високі електро- та теплопровідність, малу густину. У відпаленому стані має міцність σв=80...100 МПа невисоку твердість (НВ ≈ 25...30) та достатню пластичність (δ ≈ 45 %) Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці, як провідникового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні. Для легування алюмінію застосовують Cu, Si, Mg, Mn, Zn, рідше – Ni, Ti, Cr та ін.

Характеристика сплавів на основі алюмінію. За технологічною ознакою алюмінієві сплави поділяються на деформовані та ливарні. Серед деформованих відрізняють такі, що зміцнюються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).

Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав, системи Al-Cu-Mg з домішками Мn. Маркується  дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Дюралюміній часто застосовується в літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною.

Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідинотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю. Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви означають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів, фасонне литво тощо.

Досить широко розповсюджені також сплави на основі олова та свинцю – бабіти. Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними та призначаються для виготовлення підшипників ковзання. Бабіти маркуються  буквою "Б" і цифрами, що вказують процентний вміст олова у сплаві (наприклад, Б88, Б83 та ін.). Вони відрізняються гарною припрацьованістю та невеликим коефіцієнтом тертя. Як антифрикційні матеріали використовуються також чавуни, олов'янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.

Титан і характеристика сплавів на основі титану. Титан – метал стального кольору з температурою плавлення  tпл.≈ 1665 ºС і питомою густиною γ = 4,5  г/см3, володіє міцністю σв = 250 МПа, відносним видовженням δ ≈ 20...30 %,  твердістю  НВ ≈ 100...140, високою корозійною стійкістю. Покращення механічних властивостей досягається легуванням деякими елементами: Al, Cr, Mo, Nb,V, Zr, Sn та ін.

Завдяки малій густині, високій міцності та корозійній стійкості титан та його сплави знаходять широке застосування в суднобудуванні, авіаційній та хімічній промисловості.

Характеристика сплавів на основі магнію. Магній – сріблясто-білий метал з температурою плавлення tпл.= 651 ºС та питомою густиною γ = 1,74  г/см3 (найменшою серед конструкційних матеріалів). Магній в чистому вигляді, як конструкційний матеріал,  не використовується. В техніці використовують сплави магнію з Al, Mn, Zn, Zr та ін., які мають покращені властивості порівняно з чистим магнієм. Сплави магнію, наприклад МА8, мають добру рідкотекучість і  володіють міцністю в межах 200...350 МПа.

2-й змістовий модуль: Технологія конструкційних матеріалів

Лекція 2.1  Загальні відомості про виробництво чавуну та сталі

Мета: Ознайомити студентів з основними металургійними процесами та вихідними матеріалами для виробництва чавуну і підготовкою їх до плавки доменного виробництва, способами прямого відновлення заліза з руди. Основні способи виробництва та розливання сталі.

1  Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів.

2 Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.

  1.   Характеристика палива та флюсів, що застосовуються в металургії.
  2.   Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування.
  3.   Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.
  4.   Інтенсифікація доменного процесу.
  5.   Пряме відновлення заліза з руди.
  6.   Поняття про виробництво сталі із чавуну.
  7.    Характеристика конвертерного способу виробництва сталі.
  8.   Характеристика мартенівського способу виробництва сталі.
  9.   Характеристика способу виробництва сталі в електропечах.
  10.   Комбіновані способи виробництва сталі.
  11.   Поняття про розливання сталі та характеристика видів розливання.
  12.    Поняття про способи одержання високоякісної сталі.  

  

Рекомендована література

[2. с. 25 –42, 42 – 68;  4. с. 26 – 39, 39 – 58; 6. с.  14 – 23, 23 – 38; 7. с. 22 – 29]

 

Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів. Галузь промисловості, що займається виробництвом металів і сплаві з руди та іншої сировини, наука про способи одержання та очистки металів називається металургією.

Спочатку залізо одержували безпосередньо із руди відновленням в горнах. Внаслідок насичення заліза вуглецем, одержували сплав крихкий, але з гарними ливарними якостями. Цей сплав назвали чавуном. Потім чавун почали переробляти в сталь – сплав з меншим, ніж у чавуні, вмістом вуглецю, марганцю, кремнію та ін., що володіє високою пластичністю і міцністю. Двохстадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуну в доменній печі і переробка його в сталь – є і сьогодні основною.  

Характеристика матеріалів, що застосовуються в металургії. Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо і вогнетривкі матеріали.

Руда – це гірські породи, що містять метали в кількостях, що забезпечують їх економну переробку. Скажімо, залізні руди містять 30...60 % металу. Руда складається із мінералів, що містять метал у вигляді окислів, сульфідів, карбонатів і пустої породи, до складу якої входить кремнезем SiO2 , глинозем  Al2O3 , а також домішки сірки, фосфору, миш’яку та ін.

Флюси – це матеріали, що утворюють при плавці шлак – легкоплавку сполуку з пустою породою руди, золою палива і іншими неметалічними включеннями. Звичайно шлак володіє меншою густиною, ніж виплавляємий метал, тому він розташовується над ним, захищаючи його від взаємодії з пічними газами і повітрям.

Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний коксовий газ, мазут.

Кокс одержують сухою перегонкою кам’яного вугілля без доступу повітря при температурі 1000...1100 ºС. Він містить 85...90 % С, має високу питому теплоту згоряння, малу зольність.

Природний газ – висококалорійне дешеве паливо і складається в основному із метану СН4.

Доменний газ – побічний продукт при виплавці чавуну в доменній печі (містить до 32 % СО, до 4 % Н2).

Мазут – важкий залишок перегонки нафти, містить до 88 % С, 10...12 % Н2 і невелику кількість кисню та сірки.

Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішнього облицювання (футерівки) плавильних печей і іншого обладнання, що знаходиться під дією високих температур і розплавлених металів і шлаків. Це динасова цегла, кварцовий порошок, шамот, хромомагнезит та ін.    

Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.  На сучасному етапі до 85 % чавуну витрачається на виробництво сталі.

Сировиною для виплавки чавуну служать залізні руди, флюси і паливо. Залізо в рудах в основному знаходить у вигляді окислів, рідше у вигляді карбонату FeCO3. Серед залізних руд використовується магнітний залізняк, що містить до 65 %  заліза у вигляді магнітного окислу Fe3O4 (магнетит), червоний залізняк, що містить до 60 % заліза у вигляді безводного окислу Fe2O3 (гематит), бурий залізняк, що містить до 50 % заліза у вигляді гідроокису 2Fe2O3·3Н2О (лимоніт) та Fe2O3·Н2О (гетит) – це бідні руди забруднені миш’яком та фосфором, шпатовий залізняк  –  бідна руда, що містить до 40 % заліза у вигляді карбонату FeCO3 (сидерит), містить небагато сірки та фосфору.

Основна маса руди (приблизно 95 %) проходить стацію попередньої підготовки до плавки, що включає в себе подрібнення, сортування, збагачення та кускування. Спочатку руду подрібнюють, а потім сортують. Придатними для плавки вважаються шматки (куски) розміром 40...100 мм. Більше 80 % всіх руд піддають збагаченню, шляхом магнітної сепарації. Попереднім випалюванням руди при температурі 600...800 ºС немагнітні окисли переводять у магнітні.

Паливо в процесі виплавки чавуну в доменній печі виконує роль не тільки пального, але й відновлювачем заліза з руди.

Флюсами при виплавці чавуну в доменній печі служать вапняк СаСО3 або вапняк, що складається з СаСО3 та MgСО3.

Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування. Чавун із залізної руди виплавляють в домнах – вертикальних печах шахтного типу.

Для виплавки чавуну в домну завантажують шихту – суміш певного співвідношення руди, палива і флюсів. Окремі порції шихти називаються колошами. Колоші з бункера (слайд 2.1-1, плакат) подаються вагонетками у приймальну воронку засипного апарату. Шихта попадає по черзі в колошник і далі в шахту печі. Шихта завантажується в домну періодично (бо домна відноситься до печей безперервної дії протягом 5...10 років) по мірі згоряння палива і випуску чавуну і шлаку.

Найширша циліндрична частина домни називається розпаром. Нижче нього знаходяться  звужувальні заплечики і горн, обмежений лещаддю. В нижній частині горна розташовані ливники для випуску чавуну і шлаку.

Для підтримання горіння палива в домену піч через ряд розташованих по колу фурм  вдувається під тиском до 0,25 МПа повітря. Витрати повітря на виплавку 1 т чавуну становить 3000...7000 м3/хв.

Основними характеристиками доменної печі служать її корисна висота (відстань від лещаді до нижнього конуса засипного апарату) і корисний об’єм (робочий об’єм, заповнений шихтою і продуктами плавки). Сучасні домені печі мають: корисний об’єм 2000...5000 м3, добову продуктивність 3000...10000 т, корисну висоту до 35 м.

Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.  Демена піч працює по принципу протитоку: шихтові матеріали рухаються зверху вниз, а назустріч їм піднімається потік гарячих газів – продуктів згоряння палива. При цьому відбуваються наступні процеси: горіння палива, відновлювання та збагачення заліза вуглецем (“науглераживание”), відновлення інших елементів, утворення шлаку.

При температурі 750...900 ºС в шихті  відновлюється залізо:

3Fe2O3+СО = 2Fe3O4+СО2;   Fe3O4+СО = 3FeO+СО2;   FeO+СО = Fe+СО2.

В результаті цих реакцій утворюється тверде губчасте залізо. При температурі 1000...1100 ºС губчасте залізо збагачується вуглецем:

                

                3Fe+2CO = Fe3С+СО2;    3Fe+C = Fe3С.

Вуглець знижує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому, опускаючись в нижню частину шахти, сплав починає плавитися додатково насичується вуглецем та іншими елементами, відновленими з руди – марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою.

Таким чином, в результаті відновлення заліза, марганцю, кремнію, фосфору та сірки і їх розчиненні в залізі в горні печі утворюється чавун. Разом з чавуном в нижній частині печі збирається шлак – сплав пустої породи, флюсів, золи палива, а також частина невідновлених окислів.

В процесі утворення і накопичення чавун і шлак по різним ливникам випускають із печі: чавун – через 3...4 год., а шлак – через 1,0...1,5 год.

Інтенсифікація доменного процесу.   Для інтенсифікації процесу плавки і більш економної витрати палива повітря, що вдувається, попередньо нагрівають до 1000...1200 ºС у повітронагрівачах (кауперах).                               

Поняття про виробництво сталі із чавуну. Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, домішок сірки та фосфору. Основною сировиною для виробництва сталі є передільний чавун та стальний металобрухт. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 % Si, 0,6...3,5 % Mn, 0,07...1,6 % P, 0,03...0,08 S. Суть переробки чавуну в сталь полягає у зменшенні в ньому вмісту вуглецю та інших елементів і переводу їх у шлак або гази. То ж сталь одержують окисленням надлишку С, Si, Mn, S та P.

На сучасному етапі сталь одержують в кисневих конвертерах, мартенівських та електричних печах.    

Характеристика конвертерного способу виробництва сталі. Суть киснево-конвертерного процесу полягає у продуванні рідкого чавуну киснем. Кисневий конвертер представляє собою посудину грушовидної форми із стального листа, внутрішня частина якого футерована основними вогнетривкими матеріалами (слайд 2.1-2, плакат). Робоче положення конвертера – вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1,0 МПа за допомогою водоохолоджуваної фурми, що введене в конвертер через горловину і розташована над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8 м.

Перед початком роботи конвертер завантажують до 30 % стального брухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 ºС, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають шлакоутворюючі матеріали.

В момент, коли вміст вуглецю досягає заданого для даної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім – шлак. Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год, в той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год.

Характеристика мартенівського способу виробництва сталі. Матеріалами для виплавки сталі в мартенівській печі можуть бути: стальний брухт, рідкий і твердий чавуни, залізна руда. Флюсом служить вапняк СаСО3 (8...12 % від маси металу). Спочатку в піч завантажують і прогрівають залізну руду і вапняк, потім додають стальний брухт (скрап) і заливають рідкий чавун. Для інтенсифікації процесу плавлення і окисленні домішок ванну продувають киснем. Продувка киснем дозволяє скоротити тривалість процесу у 2...3 рази, зменшити витрати палива і залізної руди.

Характеристика способу виробництва сталі в електропечах. Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі володіють рядом переваг: здатністю швидкого нагрівання і підтримання заданої температури в межах 2000 ºС, можливістю створення окислювальної, відновлювальної та нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дозволяє  виплавляти в електропечах сталі і інші сплави з мінімальною кількість шкідливих домішок та сталі зі спеціальними властивостями. Металургійні печі поділяють на дугові і індукційні.

У дуговій електропечі джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами діаметром 350...550 мм  і шихтою при подачі на електроди напруги 200...600 В і струму 1...10 кА. Плавка з окисленням схожа з мартенівським процесом. Плавка без окислення застосовується для одержання легованих сталей.

Індукційні печі порівняно з дуговими мають ряд переваг:

- відсутність  дуги дозволяє виплавляти метали з малим вмістом вуглецю і газів; - виникаючі електродинамічні сили перемішують рідкий метал, вирівнюючи хімічний склад і умови спливання неметалічних включень;

- ці печі маю невеликі розміри, що дозволяю розміщувати їх в спеціальних камерах, створюючи будь-яку атмосферу чи вакуум.

В цих печах плавку звичайно проводять методом переплавки легованих сталей або чистого по сірці та фосфору вуглецевого скрапу і феросплавів.

Тривалість плавки в індукційній печі ємністю 1 т складає 45 хв., витрати електроенергії на 1 т сталі – 600...700 кВт·год.

 

Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі. Виплавлену  в плавильній печі сталь випускають у сталерозливний ківш і мостовим краном переносять до місця  розливання  злитки. Сталь розливають у виливниці (“изложницы”) або кристалізатори установок для безперервного розливання.

Виливниця представляє собою чавуну форму для одержання злитків різного перерізу (слайд 2.1-3, плакат). Маса злитків для прокату становить 10...12 т, а для поковок досягає 250...300 т. Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху і сифоном. Розливання сифоном здійснюється у виливниці внизу вверх одночасно у 2...60 встановлених на піддоні виливниць через центровий літник і канали у піддоні. При цьому забезпечується плавне, без розбризкування їх заповнення; поверхня злитка – чиста, скорочується час розливання.

        

Пряме відновлення заліза з руди. Заслуговує на увагу розробка процесу прямого відновлення заліза з руди. Виключення із виробництва сталі проміжного процесу – одержання чавуну – економічно вигідне. Задача складна.

Найбільш розповсюдженим є виробництво губчастого заліза. Це пористий напівпродукт (95 % заліза, 5 % оксидів заліза, 0,01...0,016 % S і 0,01 Р, домішок породи та ін.), що виплавляється у сталеплавильних агрегатах, у сталь. Відновлення шихти ведеться у невеликих за висотою шахтних печах у суміші газів СО+Н2. Як і у доменних печах, процес заснований на принципі протитоку: залізорудні матеріали завантажують зверху, а відновлювальні, нагріті приблизно до 1200 ºС, гази поступають знизу. В зоні відновлення температура становить 850...900 ºС. 

Поняття про способи одержання високоякісної сталі. Для одержання  високоякісної сталі застосовують методи спеціального переплавлення, що покращують структуру сталі і її властивості. До таких методів можна віднести переплав у вакуумній індукційній печі (одержується сталь чиста по газам, сірці та фосфору), у вакуумній дуговій печі , електрошлаковий переплав, позапічна обробка тощо.

Лекція 2.2 Основи теорії та технологія термічної обробки металів. Поверхневе зміцнення сталі

Мета: Ознайомити студентів з теорією та класифікацією термічної обробки,  основними операціями, їх різновидами та виконанням. Дати поняття про поверхневе зміцнення металів та одержаними при цьому властивостями.

  1.   Значення термічної обробки в машинобудуванні.
  2.   Основи теорії термічної обробки матеріалів.
  3.   Класифікація видів термічної обробки.
  4.   Явища, що супроводжують процес нагрівання металу.
  5.   Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск.
  6.   Поняття про термомеханічну обробку металів.
  7.   Поняття про поверхневе зміцнення металів.
  8.   Поняття про хіміко-термічну обробку металів.

Рекомендована література

[1. с. 199 – 303; 3. с. 113 – 164; 4. с. 66 – 83; 5. с. 247 – 267; 6. с.  89 – 108 ]

Значення термічної обробки в машинобудуванні. Термічна обробка металів і сплавів полягає в зміні їх структури та властивостей при нагріванні, витримці і охолодженні з дотриманням встановлених режимів.

В теперішній час термообробка широко застосовується в практиці машинобудівних і металургійних заводів як проміжна і як заключна операції. Проміжна операція термообробки дозволяє покращити технологічні властивості металів і сплавів (оброблюваність різанням, тиском і ін.), а друга – призначена для формування властивостей готових виробів.

Основи теорії термічної обробки матеріалів.   Теоретичними засадами термічної обробки металів є загальна теорія фазових перетворень, що відбуваються в металах і сплавах при нагріванні і охолодженні.

До вищезазначеного термічна обробка – це технологічний процес теплової обробки металів і сплавів, в результаті якого відбувається зміна їх будови і властивостей.

Наголосимо, що сутність термообробки полягає у нагріванні металу (виробу) до певної температури, витримці при цій температурі і наступному охолодженні з різною швидкістю.  Такій обробці підлягають як чорні , так і кольорові метали і їх сплави. За допомогою термічної обробки можна отримати як підвищену твердість і міцність, так і високу пластичність та в'язкість. Термічній обробці можуть піддаватися всі без винятку метали і сплави. Особлива роль у розвитку термообробки належить Д. К. Чернову, який вперше встановив, що властивості сталей залежать від їх структури, що визначається температурою нагріву і швидкістю охолоджування.

Отже, основними чинниками, що визначають режими термічної обробки матеріалу, є температура нагрівання, час витримки і швидкість охолодження.

Класифікація видів термічної обробки. Класифікація видів термічної обробки була запропонована акад. А.А. Бочваром і складає основу сучасної наукової класифікації. Вона враховує фізичну сутність процесів термообробки.

Розрізняють наступні види: власне термічну обробку, хіміко-термічну обробку та термомеханічну обробку.

Видами термічної обробки являються відпал (відпалювання), нормалізація, гартування, відпускання.

Явища, що супроводжують процес нагрівання металу. Як приклад, далі будуть розглянуті перетворення, що відбуваються в евтектоїдній сталі при її нагріванні і охолодженні з різною швидкістю. Нагрівання сталі до температури, вище за точку G, приведе до утворення з перліту структури аустеніту. Як відомо, при повільному охолодженні сталі, після її нагріву вище критичної точки А1 (723 ºС) відбувається розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш, що зветься перлітом. Це перетворення складається з двох процесів, що відбуваються одночасно: 1) переходу Feв Feα і  2) утворення карбіду заліза Fe3C (цементиту).

Перший процес – алотропічне перетворення заліза – бездифузійний і тому протікає миттєво.

Другий процес – утворення цементиту – дифузійний, пов'язаний з виходом атомів вуглецю з твердого розчину. Отже, для його завершення потрібний певний час. Тому при швидкому охолодженні в точці перлітних перетворень частинки цементиту не встигають сформуватися, і ця точка зміщується в бік більш низьких температур. При цьому, чим більше швидкість охолодження сталі, тим при нижчій температурі закінчується процес розпаду аустеніту на ферито-цементитну суміш.

Ферито-цементитні суміші, утворені при різних швидкостях охолодження, відрізнятимуться величиною зерен, тобто ступенем дисперсності і, отже, своїми механічними властивостями. Зазначені перетворення в сталях використовують на практиці, отримуючи шляхом нагріву і охолодження з різною швидкістю потрібні структуру і властивості. Так, нагріваючи евтектоїдну сталь до стану аустеніту і поволі охолоджуючи, отримують найм’якішу структуру (перліт). Це можуть бути такі операції термообробки, як відпал і нормалізація.

Охолоджуючи нагріту до стану аустеніту евтектоїдну сталь із швидкістю більше 150 °С/с, отримують структуру мартенситу. Ця операція термообробки називається загартуванням. Проте після загартування сталь використовувати не можна. Вона дуже крихка і має низьку міцність, Її необхідно шляхом нагрівання до певних температур (не вище критичною) привести у стійкіший стан. Ця операція термообробки називається відпусканням. Таким чином, метою відпускання є отримання бажаної структури (трооститу, сорбіту, перліту) і, відповідно, необхідних властивостей сталі. При цьому знижуються її внутрішні напруження.

Перетворення в сталі, нагрітій до стану аустеніту, можна вивчити, переохолоджуючи її до різних температур і витримуючи при цих температурах. Для цього використовують так звані діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, які встановлюють стійкість, тобто тривалість існування переохолодженого аустеніту залежно від температури. По цій діаграмі можна точно визначити, скільки часу переохолоджений до даної температури аустеніт залишається таким, що не розпадається, через який час розпадається і яка структура є продуктом розпаду.  І, якщо діаграма залізо – цементит одна для всіх сплавів, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту будується для кожної марки сталі. Для теорії і практики термічної обробки необхідні обидві діаграми. І, якщо за допомогою діаграми стану Fе-Fе3С, встановлюють температуру нагріву сталі при відпалі, нормалізації, загартуванні, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту дозволяє вибрати швидкість охолодження для одержання необхідної структури і властивостей сталі. Це легко визначити, якщо накласти на діаграму стану криві охолодження сталі.

Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск. Отже, основними операціями термообробки сталі є: відпал, нормалізація, загартування і відпускання.

Відпалом називається операція термообробки, що полягає у нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні разом з піччю. Відпал проводять для зниження твердості, збільшення пластичності і в'язкості та поліпшення оброблюваності сталі. На практиці, як правило, застосовують наступні види відпалів.

Відпал 1-го роду (без фазових перетворень). Цей відпал застосовують як для моно-, так і для поліморфних металів і сплавів. Розрізняють наступні різновидності відпалу 1-го роду: гомогенізуючий відпал, рекристалізаційний та для зняття напружень.

Гомогенізуючий (дифузійний) відпал дозволяє усувати дендритну ліквацію у відливках і злитках сплавів кольорових металів і високолегованих сталей. Із зростанням температури збільшується і швидкість дифузії. Тому цей відпал сталі проводять при високих температурах, при цьому її нагрівають до 1000 – 1200 °С, витримують 8-15 годин при цій температурі, а потім повільно охолоджують до температури 500-600 °С, після цього охолодження відбувається з довільною швидкістю.

Рекристалізаційний відпал частіше застосовується для холодно-деформованих металів і сплавів з метою зняття наклепання. Ця обробка може бути проміжною і остаточною. В результаті рекристалізації утворюються нові зерна з меншою концентрацією дефектів будови, знижуються внутрішні напруження, знижуються міцністні і підвищуються пластичні властивості металів і сплавів. Температура відпалу 680-700 °С – для вуглецевих сталей, для легованих – 700-730 °С. Час витримки залежить від площі перерізу оброблюваного виробу.

Відпал для зняття напружень дозволяє усунути внутрішні (залишкові) напруження, внесені до металу попередньою обробкою. Цей відпал найчастіше ведеться при температурі 400 - 680 °С,  час витримки – з розрахунку 2,5 хв. на   1 мм товщини перерізу деталі. 

Відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією). Цей відпал проводиться з метою одержання зрівноваженої структури металів і сплавів, що зазнають при тепловому впливу фазових перетворень. Відпал 2-го роду зменшує концентрацію дефектів кристалічної ґратки, знижує внутрішні напруження, подрібнює зерно, виправляє структуру, створену попередньою обробкою.  В результаті підвищується пластичність і знижується міцність і твердість металу. Застосовують повний, неповний та ізотермічний види відпалу 2-го роду.

Повний і неповний відпал розрізняють ступенем (повнотою) фазових перетворень. Температура нагріву при повному відпалі на 30-50 °С вище за лінію GSE,  при неповному – на 10 – 30 °С вище за лінію Рsк.

Ізотермічний відпал здійснюється за наступною схемою: нагрівання сталі (доевтектоїдної – вище за лінію GS, заевтектоїдної, – вище за лінію SK), витримка до повного прогрівання та фазового перетворення, швидке охолодження до температури 600-700 °С, ізотермічна витримка до повного розпаду аустеніту та швидке охолодження на повітрі.

Нормалізація – різновид повного відпалу – отримує все більше розповсюдження завдяки значному скороченню часу на термообробку, оскільки охолодження проводиться на повітрі. Вона застосовується як завершальна операція для низько-вуглецевих і легованих сталей. Для заевтектоїдних сталей нормалізація – допоміжна операція перед загартуванням.

Загартування проводиться для підвищення твердості, зносостійкості та межі пружності. При загартуванні сталь нагрівають вище за критичні точки, витримують, а потім швидко охолоджують. Залежно від швидкості охолодження розрізняють різке або сильне загартування на мартенсит і помірне – на троостит. Для загартування вуглецевих сталей на мартенсит застосовують охолодження у воді, на троостит – в маслі. Температура під загартування повинна бути такою, щоб сталь перейшла повністю в аустенітний стан. Для доевтектоїдної сталі температура нагріву повинна бути на 30-50 °С вище за лінію GS, для заевтектоїдної – на 30-50 °С вище за лінію SK, оскільки вторинний цементит, що залишається при такому нагріванні, підвищує твердість і зносостійкість загартованої сталі. 

Пересичені тверді розчини, що утворюється в результаті загартування, метастабільні і при нагріванні починають розпадатися.

Процеси їх розпаду в сплавах, загартованих з поліморфним перетворенням, називаються відпусканням, а в сплавах, загартованих без поліморфного перетворення, – старінням. Відпускання призначене для часткового або повного зменшення метастабільності загартованого на мартенсит матеріалу. Температура нагріву при відпусканні не повинна перевищувати температури фазового переходу. Відпускання залежно від температури нагріву буває низьким (150-300 °С), середнім (300-500 °С) і високим (500-650 °С); і в тому або іншому ступені зменшує внутрішню напругу і крихкість, знижує твердість і міцність, підвищує пластичність і в'язкість.

Поняття про термомеханічну обробку металів. Термомеханічна обробка  - це процес, що представляє собою нагрівання сталі до температури вище точки АС3  (лінії GS – межа між феритом і аустенітом), витримку, пластичну деформацію аустеніту при високій температурі і наступним охолодженням з одержання особливої мартенситної структури.  Пластичне деформування при термомеханічній обробці здійснюють прокаткою, ковкою, штамповкою і іншими способами обробки тиском.

Існують два способи термомеханічної обробки: високотемпературна (ВТМО) і низькотемпературна (НТМО). При ВТМО сталь нагрівають вище точки АС3, пластично деформують при цій температурі  і загартовують. При НТМО сталь нагрівають вище точки АС3, охолоджують до температури відносної стійкості аустеніту, але нижче температури кристалізації, пластично деформують при цій температурі і загартовують. В обох випадках після загартування застосовують низьке відпускання.

                                                                                                                                                                                                                             

Поняття про поверхневе зміцнення металів. Для одержання в’язкої серцевини та високої твердості виробу застосовують поверхневе загартування. Воно дозволяє поєднувати хорошу зносостійкість і високу динамічну міцність.

Швидке нагрівання поверхневого шару здійснюють струмами високої частоти, лазером і ін. Найбільше розповсюдження в машинобудуванні знайшло індукційне нагрівання струмами високої частоти (СВЧ) – продуктивний метод, що забезпечує хорошу якість обробки. Поверхневе загартування пллягає в нагріванні поверхневого шару деталі з наступним швидким охолодженням. Після швидкого охолодження поверхневий шар одержує повне загартування, а  серцевина або неповну, або зовсім не загартовується (в залежності від її температури і товщини деталі).

Найчастіше поверхневому загартуванню піддаються вуглецеві сталі, що містять 0,4...0,5 % С, рідше леговані (хромисті, хромонікелеві і ін.).  

Поняття про хіміко-термічну обробку металів.  Одним з ефективних способів поверхневого зміцнення металів є хіміко-термічна обробка. Вона представляє собою технологічний процес насичення поверхневого шару виробу яким-небудь елементом шляхом дифузії його із зовнішнього середовища. При хіміко-термічній обробці змінюється хімічний склад поверхневого шару деталей.

Механізм насичення металу полягає в адсорбції атомів, що підводяться до виробу; розчиненні адсорбованих атомів в металі; дифузії розчиненої речовини в глибину оброблюваного виробу.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) здійснюється при високих температурах, коли швидкість дифузії велика.

До найбільш розповсюджених методів ХТО відносяться цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементація – процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддаються низьковуглецеві сталі (0,1...0,3 % С). В тому числі і леговані. Цементацію здійснюють твердим карбюризатором (деревним вугіллям з додаванням ВаСО3, NaCO3, К2СО3) при температурі 900...950 оС в металевих ящиках протягом 8...14 год. Газова цементація здійснюється в закритих камерних печах, заповнених газом (природним, окислом вуглецю, метаном пропаном та ін.), при температурі 930...950 оС протягом 8...12 год.

Азотування – процес дифузійного насичення поверхні виробу азотом. Азотують леговані сталі (35ХМЮА, 35ХЮА і ін.). Перед азотуванням заготовку піддають загартуванню та високому відпусканню. Азотування проводять в печах при температурі 500...600 оС. Активний азот, що виділяється при дисоціації аміаку, шляхом дифузії проникає з іншими елементами в поверхневий шар і утворює дуже тверді хімічні сполуки – нітриди (AlN, MoN, Fe3N та ін.).

Азотування на глибину 0,2...0,5 мм   продовжується 25...60 год.  і в цьому його основний недолік.

Ціанування – насичення поверхневого шару одночасно вуглецем і азотом; воно буває рідинним і газовим.

Дифузійна металізація – це поверхневе насичення заготовок шляхом дифузії алюмінієм (алітування), хромом (хромування) та кремнієм (силіціювання).

Метал покриття наносять розпиленням, порошковими сумішами і витримують деякий час при певних температурах.

Дифузійна металізація підвищує корозійну стійкість, жаростійкість.

Лекція 2.3  Основи технології ливарного виробництва та обробка металів тиском. Поняття про порошкову металургію. Основні види порошкових матеріалів

Мета: Ознайомити студентів із значенням ливарного виробництва та порошкових матеріалів у народному господарстві, технологією та технологічним обладнанням; спеціальними видами лиття; із значенням та обробкою металів тиском, основними положеннями теорії такої обробки, впливом пластичної деформації на структуру та властивості металу; технологічним процесом виготовлення та основними характеристиками найбільш поширених порошкових матеріалів.

1  Ливарне виробництво та його значення для народного господарства.

2  Основи виробництва відливок. Ливарні властивості сплавів.

3  Способи виготовлення відливок. Класифікація та характеристика різновидностей ливарних форм.

4  Характеристика способів лиття  (в кокілі, під тиском, відцентрового лиття, по моделях, в оболонкові форми).

5  Поняття про обробку металів тиском та його значення в народному господарстві.

6  Переваги обробки металів тиском перед іншими способами обробки металів.

7  Поняття про пластичну деформацію металів та її вплив на структуру і властивості оброблювального металу.

8  Характеристика основних видів обробки металів тиском: прокатування, волочіння, пресування, кування, штампування.

  1.   Температурний інтервал гарячої обробки металу тиском.
  2.  Порошкова металургія конструкційних матеріалів: особливості технології,  переваги та недоліки виробів порошкової металургії.

Рекомендована література

[2. с. 80 –173, 174 –265; 4. с. 129 – 198, 199 – 249, 310 – 317; 6. с. 133 – 142, 211 – 225, 225 – 243; 7. с. 49 – 102, 102 – 148; 8. с. ... ]

Ливарне виробництво та його значення для народного господарства. Для одержання заготовок деталей найважливіша роль належить ливарному виробництву. Ливарний – відносно дешевий спосіб виготовлення деталей. Це пояснюється тим, що ливарним способом можна отримати деталі масою від кількох грамів до сотень тон з товщиною стінки 0,5...5000 мм, з розмірами від кількох міліметрів до десятків метрів, самої складної форми, яку не можна отримати іншими способами із різних сплавів (пластичних або крихких). Ливарним способом можна отримати заготовку максимально наближену по формі до готової деталі, що значно скорочує витрати металу і об’єм механічної обробки.

Суть ливарного виробництва полягає в тому, що фасоні деталі (заготовки) одержують заливкою рідкого металу у ливарну форму, порожнина якої відповідає їх розмірам та формі. Після кристалізації металу литу деталь (заготовку), що зветься відливкою, видаляють із ливарної форми і в разі необхідності піддають механічній обробці.

Основи виробництва відливок. Ливарні властивості сплавів. Для одержання відливок в машинобудуванні найбільш широко використовуються: сірі, ковкі та високоміцні чавуни; вуглецеві та леговані сталі; сплави кольорових металів на основі алюмінію, міді, титану та ін.

Для одержання якісної відливки ливарні сплави повинні володіти певними технологічними властивостями: рідкотекучість, усадка, ліквація, газопоглинання.

Рідкотекучість – здатність рідкого металу повністю заповнювати всі щілини порожнин ливарної форми і чітко відтворювати контур відливки.

Усадка – зменшення об’єму металу і лінійних розмірів відливки в процесі її кристалізації і охолодження в твердому стані.

Ліквація – неоднорідність хімічного складу сплаву по перерізу відливки. Розрізняють зональну і дендритну ліквації. Зональна ліквація створює хімічну неоднорідність в об’ємі всієї відливки, а дендритна – в межах одного зерна.

Газопоглинання – здатність ливарних сплавів в рідкому стані розчиняти кисень, азот і водень, розчинність яких зростає з перегрівом розплаву.   

Способи виготовлення відливок. Класифікація та характеристика різновидностей ливарних форм. Сучасне ливарне виробництво має в своєму розпорядженні наступні способи  виготовлення відливок: у піщано-глинистих формах, у металевих формах, під тиском, за виплавляємими моделями, в оболонкових формах, відцентровим литтям, електрошлаковим литтям, під низьким тиском вакуумним всмоктуванням, рідкою штамповкою тощо. Галузь використання цих способів визначається багатьма факторами: типом виробництва, масою відливок, точністю і чистотою поверхні відливок ливарними властивостями сплавів та ін.

Різновидності ливарних форм для одержання відливок розрізняють за різними ознаками: терміном служби, технологією виготовлення, станом перед заливкою та ін.

Разові форми виготовляють  із піщано-глинистих. Піщано-смоляних формотворних сумішей, і служать вони  для одержання тільки однієї відливки. До них належать також нерозбірні форми, виготовлені за виплавляємими моделями. Після заливки разову форму руйнують для звільнення затверділої відливки.

Багаторазові розбірні форми виготовляють із шамоту, азбесту, цементу та інших вогнетривких матеріалів.  

Багаторазові форми (кокілі) виготовляють металевими: із чавуну, сталі інколи із мідних та алюмінієвих сплавів. Термін служби кокілю залежить від температури плавлення сплаву. В одному кокілі можна виготовити кілька сотень відливок із сталі, до кількох тисяч відливок із чавуну, і до сотень тисяч із сплавів кольорових металів. Із-за високої вартості кокілі використовуються тільки в серійному виробництві.   

Характеристика способів лиття (в кокілі, під тиском, відцентрового лиття, по моделях, в оболонкові форми). Способи одержання відливок різноманітні. Розглянемо деякі з них.

Лиття в кокілі полягає в тому, що замість разової піщано-глинистої форми використовують металеву форму, що зветься кокілем. Кокілі,  володіючи майже в 60 разів більш високу теплопровідність, забезпечують дрібнозернисту структуру відливок, що підвищує їх міцність. За конструкцією кокілі розрізняють нерозбірні витряхні та розбірні горизонтальні і вертикальні.

Сутність лиття під тиском полягає в тому, що рідким металом примусово заповнюють металеву прес-форму під тиском, який підтримується до повної кристалізації відливки. Тиск забезпечує швидке і добре заповнення форми, високу точність і малу шорсткість поверхні відливки.

Сутність відцентрового лиття полягає в тому, що рідкий метал заливають у ливарну форму, що обертається з певною швидкістю. Ливарна форма обертається протягом всього часу кристалізації металу відливки. При цьому метал відцентровою силою притискується до стінок форми, що забезпечує одержання щільних відливок з підвищеною міцністю в наслідок витіснення шлаку у внутрішню порожнину.

Лиття відливок за виплавляємими моделями полягає в тому, що за нерозбірною легкоплавкою моделлю виготовляють нерозбірну разову форму. Моделі з цієї форми виплавляють, а порожнину, що утворилася, заливають рідким металом. При цьому одержують відливки настільки точні, що інколи відпадає необхідність механічної обробки і в 1,5...2,0 рази зменшуються витрати металу. Використовують цей спосіб литва для виготовлення відливок дуже складної форми з будь-яких ливарних сплавів.

Сутність метода одержання відливок литтям в оболонкові форми полягає в тому, що разову ливарну форму виготовляють у вигляді оболонки, використовуючи для формованої суміші в якості матеріалу, що пов'язує, фенольні термореактивні смоли, які міцно цементують кварцовий пісок, як наповнювач. Застосовують цей метод  для  масового виробництва фасонних мілких і середніх відливок із різних сплавів.

Поняття про обробку металів тиском та його значення в народному господарстві. Обробка металів тиском заснована на використанні однієї з основних властивостей металів – пластичності, тобто на їх здатності в певних умовах сприймати під дією зовнішніх сил залишкову деформацію без порушення цілісності матеріалу заготовки. Така обробка застосовується лише до металів достатньо пластичних.

Розрізняють наступні основні способи обробки металів тиском: прокатка, волочіння, пресування, вільна ковка, штамповка об’ємна і листова.

Переваги обробки металів тиском перед іншими способами обробки металів. Обробка металів  тиском використовується давно, але її можливості далеко не вичерпані. Обробкою тиском виготовляють із металів напівфабрикати, деталі і вироби різної маси, розмірів і форми.

Процеси обробки металів тиском відрізняються високою продуктивністю, економною витратою металу порівняно з ливарним виробництвом і механічною обробкою. Крім того, обробка тиском покращує механічні властивості литого металу. Тому обробці металів тиском піддають біля 90 % всієї сталі, що виплавляється, і більше 50 % кольорових металів.

Поняття про пластичну деформацію металів та її вплив на структуру і властивості оброблювального металу. Пластична деформація полягає у переміщенні атомів відносно один одного на відстані більше ніж відстані між атомами із одних рівноважних положень в нові. При цьому не порушується суцільність, але змінюється структура і властивості металу.

Найбільшою пластичністю володіють чисті метали. На величину і характер деформації впливають компоненти, що входять до складу сплавів, тому їх пластичність зменшується порівняно з чистими металами. З  підвищенням вмісту вуглецю в сталі пластичність зменшується і при вмісті вуглецю більше 1,5 % сталь насилу піддається куванню. Суттєво вливає на пластичність сталі кремній, який знижує її.

Впливає на пластичність металу і температура. З підвищенням температури нагрівання пластичність металів звичайно зростає, а міцність зменшується. Разом з тим у вуглецевих сталях при температурах 100...400 оС пластичність зменшується, а міцність зростає. Цей інтервал температур називають зоною крихкості. Фактором впливу на пластичність металу є також  швидкість деформації – зміна ступеню деформації ε в одиницю часу (dε/dt).

Звичайно механічні властивості металів визначаються при швидкостях деформування до 10 мм/с. Загалом із зростанням швидкості деформації пластичні падає.

Важливо, що в процесі пластичної деформації в металі виникають головні напруги, які діють у трьох напрямках і також являються фактором впливу на пластичність металу.

Зміна структури литого металу при деформації . Структура литого металу заготовок неоднорідна. Основу її складають зерна первинної кристалізації (дендрити) різних розмірів і форми, на границях яких утворюються неметалеві включення, а також існують пори і газові бульбашки. Висока ступінь деформації при високій температурі викликає подрібнення зерен, а також часткове заварювання пор.

В процесі деформації зерна і міжкристалічні прошарки витягуються у напрямку найбільшої деформації, цим самим впливаючи на механічні властивості металу (виникнення анізотропії властивостей).

Характеристика основних видів обробки металів тиском: прокатка, пресування, волочіння, кування, штампування.

Прокатка – це обтискання металу обертаючими валками. Прокаткою одержують вироби з постійним по довжині поперечним перерізом (прутки,   рейки, листи, труби, балки). При прокатці схема головних напруг відповідає об’ємному обтисканню з максимальною напругою у напрямку тиску валків.

Пресування полягає у продавлюванні нагрітого металу, що знаходиться в замкнутому об’ємі, через отвір у матриці. Форма і розміри поперечного перерізу видавлюваних прутків відповідає формі і розмірам цього отвору.

Волочіння представляє собою протягування заготовки через отвір у волочильній матриці (у волоці). Волочінням одержують тонкі сорти дроту, калібровані прутки, тонкостінні труби.

Кування - процес деформування нагрітої заготовки між бойками молота або преса. Зміна форми і розмірів заготовки досягається послідовним впливом бойків або інструменту на різні ділянки заготовки.

Штампування (об’ємне) полягає у одночасному деформуванні всієї заготовки у спеціальному інструменті – штампі на молотах, пресах або горизонтально-кувальних машинах. Форма і розміри внутрішньої порожнини штампа визначають форму і розміри заготовки.

 Штампування (листове) призначене для одержання плоских і об’ємних пустотілих деталей із листа або смуги за допомогою штампів на холодноштампувальних машинах.

Температурний інтервал гарячої обробки металу тиском. Для підвищення пластичності і зменшення опору деформуванню метали і сплави перед обробкою тиском нагрівають до певної температури. Для кожного металу існує такий температурний інтервал, в якому забезпечуються оптимальні умови гарячої обробки тиском. Нагрівання металу супроводжується рядом явищ, які необхідно враховувати при виборі температури і режиму нагрівання.

При нагріванні сталі вище 700 оС відбувається інтенсивне окислення поверхневого шару з утворенням окалини, що складається із окислів заліза. З підвищенням температури до 1330...1350 оС окалина плавиться і залізо горить з утворенням іскор. При високих температурах поряд з окисленням заліза відбувається збіднення вуглецем поверхневого шару сталі в наслідок вигоряння вуглецю. Для зменшення окислення металу застосовують електронагрівання, а також нагрівання заготовок у захисній атмосфері.

При високих температурах нагрівання інтенсивно росте зерно. Це явище називається перегрівом. Перегріта сталь характеризується більш низькими механічними властивостями – зменшення відносного видовження і ударної в’язкості складає біля 25 %.

Температурний інтервал гарячої обробки тиском. Для максимального підвищення пластичності металу температура початку обробки повинна бути якомога високою, але не викликати перегріву та перепалення. Температурний інтервал гарячої обробки вуглецевих сталей з 0,2...0,7 % вуглецю – 1280...800 оС;  з 0,8...1,3 % вуглецю – 1100...760 оС. Мідні сплави обробляють в інтервалі температур 900...700 оС; дюралюміній – 470...400 оС; титанові – 110...900 оС.

Порошкова металургія конструкційних матеріалів: особливості технології, переваги та недоліки виробів порошкової металургії. Порошкова металургія цінна тим, що дає можливість одержувати матеріали, які іншими методами одержати неможливо: із металів із значною різницею температур (наприклад, W-Cu, W-Ag, Mo-Cu), із металів та неметалів (бронза-графіт), із хімічних сполук (тверді сплави із карбідів WС, ТіС і ін.), матеріали із заданими пористістю, електропровідністю, магнітними властивостями тощо.

Схема одержання виробів із порошків включає наступні основні операції: одержання порошків та підготовка порошкової шихти, брикетування шихти під тиском у відповідних формах (матрицях) і подальше спікання для підвищення міцності виробів. Така схема забезпечує практично безвідходну технологію виробництва і можливість одержання виробів з самими різноманітними властивостями.

Виробництво брикетів здійснюють найбільш розповсюдженими методами:  холодним та гарячим пресуванням.

Для підвищення міцності сформовані із порошків заготовки піддають спіканню. Ця операція здійснюється в печах опору або індукційних печах з нейтральним або захисним середовищем протягом 30...90 хв. при температурі біля 2/3...4/5 температури плавлення основного компонента.

Методом порошкової металургії одержують компактну металокераміку, металокерамічні тверді сплави, антифрикційні і фрикційні вироби, порошкові фільтри тощо.

Лекція 2.4  Вивчення технології зварювання металів та обробка металів різання

Мета: Ознайомити студентів із значенням зварювання металів та обробки металів різанням у народному господарстві, класифікацією та основними видами зварювання металів, загальними основами технологічного процесу різання, класифікацією та будовою металорізальних верстатів.

  1.  Поняття про зварювання металів та його значення в народному господарстві.
  2.  Класифікація видів зварювання в залежності від виду енергії, що  використовується, та зварних з’єднань.
  3.   Поняття про дугове електрозварювання. Властивості електричної дуги.
  4.   Поняття про контактне електрозварювання. Характеристика видів електроконтактного зварювання.
  5.   Поняття про газове зварювання, його переваги та недоліки.
  6.   Технологія газового зварювання і різання металів.
  7.   Нові види зварювання металів.
  8.    Поняття про обробку металів різанням. Загальні основи процесу різання металів.
  9.    Фізичні явища, що відбуваються під час різання металів.
  10.   Класифікація металорізальних верстатів та їх будова.
  11.   Характеристика металорізального інструменту
  12.   Технологія обробки металів на верстатах.
  13.   Поняття про електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів.

Рекомендована література

[2. с. 266 – 383, 384 – 592; 3. с. 315– 346; 4. с. 250 – 310; 6. с. 243 – 265, 265 – 348; 7. с. 148 – 205, 205 – 342; 8. с. .....]

Поняття про зварювання металів та його значення в народному господарстві. Зварюванням металів називають процес одержання нероз’ємних з'єднань металевих виробів за рахунок використання міжмолекулярних та міжатомних сил зчеплення. Для приведення цих сил в дію необхідно зблизити атоми з’єднуваних металів на відстань порядку 10-8 см, тобто на відстань приблизно рівну параметру кришталевої гратки цих металів. Вказаному процесу зближення атомів і молекул сприяє нагрівання зварюваних поверхонь до розплавлення або пластичного стану і прикладення механічного зусилля стискування.

У теперішній час зварювання металів, як і обробка металів тиском, різанням або литтям, являється основним технологічним процесом виготовлення різних металевих конструкцій та виробів і знаходить широке використання у всіх галузях народного господарства, зокрема, у суднобудуванні. Особливо значний  економічний ефект дає застосування зварювання при виготовленні важких зварювально-литих та зварювально-кованих конструкцій, використанні зносостійкої наплавки у виробництві валків прокатних станів, ковальсько-пресового обладнання, металорізального інструменту тощо.

Класифікація видів зварювання в залежності від виду енергії, що  використовується, та зварних з’єднань. Сучасні способи зварювання класифікують за двома основними ознаками: за станом металу в процесі зварювання та за видом енергії, яка використовується для нагрівання зварюваних металів. За першою ознакою розрізняють зварювання плавленням і зварювання тиском.

При зварюванні плавленням кромки з’єднуваних деталей (основний метал) і в більшості випадків додатковий (присадний) нагрівають до розплавленого стану, утворюючи загальну зварювальну ванну. Після видалення джерела нагрівання метал ванни охолоджується і твердне, утворюючи зварний шов, що з’єднує зварювальні поверхні в одне ціле.

При зварюванні тиском зварювальне з’єднання утворюється нагріванням зварюваних поверхонь до пластичного стану або до початку плавлення і додатковим прикладанням механічних зусиль стискання. Такі пластичні метали, як мідь, свинець, алюміній, нікель і ін. Можна зварювати і в холодному стані за рахунок тільки тиску.

За видом енергії, що використовується для нагрівання металу, всі способи зварювання можна розділити на основні групи: електричні, хімічні, механічні і променеві.

Найбільш важливою являється група електричних способів, при яких метал нагрівається за рахунок електричної енергії. До цієї групи належать наступні види зварювання: дугова, контактна, електрошлакова, індукційна, плазмова.

До групи хімічних способів зварювання належать газова і термітна. Нагрівання металу при цих способах зварювання здійснюється за рахунок екзотермічних реакцій окислення різних речовин, що знаходяться у газоподібному або твердому стані.

До механічних способів зварювання відносяться: горнова або ковальська, холодна тиском, тертям, вибухом і ультразвуком. При цих методах зварювання для з’єднання металів використовують відповідні види механічної енергії.

Група променевих способів зварювання об’єднує електронно-променеве, лазерне та геліозварювання.

Із перерахованих способів зварювання найбільш важливе значення мають електродугове, контактне та газове.

Поняття про дугове електрозварювання. Властивості електричної дуги. Електричне дугове зварювання вперше було запропоноване нашим співвітчизником  М.М. Бенардосом у 1882 р., який використав дугу для зварювання металів вугільним електродом, а у 1888 р. М.Г. Славянов запропонував спосіб дугового зварювання металевим електродом.

Зварювальна дуга представляє собою потужний електричний розряд в газах, що супроводжується виділенням значної кількості тепла і світла. Для розігріву катода між ним і анодом, підключеними до джерела зварювального струму, здійснюють короткочасне коротке замикання. Після відриву електрода від виробу з розігрітого катоду під дією електричного поля починається електронна емісія. При русі електронів до аноду вони стикаються з молекулами і атомами повітря і іонізують їх. На поверхні анода і катода відбувається нейтралізація заряджених частинок, що приводить до перетворення електричної енергії в теплову.

До основних параметрів, що характеризують електричну дугу, відносяться  напруга, струм і довжина дуги. Зварювальна дуга складається із трьох частин: катодної, анодної і стоба дуги. Майже весь простір займає стовп дуги, в якому відбуваються процеси іонізації і переміщення заряджених частинок до катоду і аноду. Температура стовпа дуги досягає 6000...7000 оС. Він оточений ореолом, який представляє собою розпечену суміш парів електродного і зварювального металів та продуктів реакції цих парів з оточуючим газовим середовищем.

Для дугового зварювання застосовують як постійний, так і змінний струм. Джерелами постійного струму є зварювальні генератори постійного струму та зварювальні випрямлячі. При зварюванні змінним струмом використовують зварювальні трансформатори.

Величина напруги для запалювання дуги (напруга холостого ходу) повинна бути не нижче 30...35 В  (при постійному струмі) і 50...55 В (при змінному струмі). Для стійкого горіння відкритої дуги в більшості випадків достатньо напруги 18...30 В.

Поняття про контактне електрозварювання. Характеристика видів електроконтактного зварювання. Контактне зварювання (зварювання опором) засноване на розігріві зварювальних виробів джоулевим теплом і механічним притискуванням розігрітих виробів. Згідно із законом Джоуля-Ленца кількість тепла, що виділяється при проходженні електричного струму у зварюваних деталях та перехідних контактах :

                                       Q = kI2Rt (Дж).

Величина зварювального струму при контактному зварюванні досягає десятків і навіть сотень тисяч ампер. Такі струми одержують у знижувальних однофазних зварювальних трансформаторах, що мають у вторинній обмотці частіше за все один виток. Для регулювання зварювального струму первину обмотку роблять секційною. Опір місця зварювання залежить від чистоти і стану поверхні зварюваного металу. До основних видів контактного зварювання відносяться: стикова, точкова і шовна.

При стиковому зварюванні зварювані деталі (стержні, стрічки, рейки, труби) закріплюють в мідних затискачах машини. Переміщення рухомої плити і стискання зварюваних виробів здійснюють механізмом стиснення.

Точкове зварювання застосовують для з’єднання листових конструкцій, де необхідно забезпечити потрібну міцність, а щільність не є обов’язковою.  Складені внахлест деталі затискають з певним зусиллям між мідними електродами, до яких підводиться струм від зварювального трансформатора. Тривалість витримки на жорстких режимах зварювання становить 0,001...0,1 с, густина струму – 150...350 А/мм2 і тиск на електроди – 40...100 МПа.

Шовне або роликове зварювання застосовують для одержання міцних і щільних швів при виготовленні тонкостінних посудин та тонкостінних труб. При шовному зварюванні збирають внахлест деталі, а потім затискають з певним зусиллям між двома мідними роликами, до яких підводиться струм від зварювального трансформатора. Одному з роликів надають примусового обертання від спеціального привода. При включенні струму і одночасному обертанні роликів відбувається переміщенні і нагрівання до розплавлення контактних поверхонь зварюваних виробів, які під дією стискаючих зусиль зварюються.

Поняття про газове зварювання, його переваги та недоліки. Для одержання зварного з'єднання при газовому зварюванні кромки основного металу і присадний метал нагрівають до розплавленого стану полум’ям горючих газів, стиснених при допомозі спеціальних зварювальних  пальників у суміші з киснем. В якості горючого газу найбільше застосування одержав ацетилен, який при згорянні в кисні дає температуру полум’я, достатню для зварювання сталей та більшості інших металів і сплавів. Для зварювання металів з температурою плавлення меншою, ніж у сталі. Можуть бути використані водень, природний газ і ін.

Газове зварювання застосовують при виготовленні листових і трубчастих конструкцій із маловуглецевих та низьколегованих сталей, для виправлення дефектів у відливках сірого чавуну та бронзи тощо.

Газове зварювання має переваги у мобільності, меншій експлуатаційній небезпечності та меншому впливу на здорові людини (особливо на зір).

Технологія газового зварювання і різання металів. Основу технології газового зварювання складає вид і склад ацетиленокисневого полум’я, спосіб та вибір режимів зварювання.

В більшості випадків при газовому зварюванні застосовують нормальне ацетиленокисневе полум’я, при якому на одну об’ємну частину ацетилену (Н2С2) припадає на 10...20 % більше кисню. Режим газового зварювання визначається вибраним діаметром присадного металу і потужністю газозварювального полум’я.

Газове різання здійснюють використовуючи горючі гази, зокрема ацетилен, який одержують із карбіду кальцію (СаС2) при його взаємодії з водою. Газове різання у струмені кисню використовують для різання сталі з вмістом вуглецю до 0,7 % та деяких низьколегованих сталей. Найвища температура полум’я у струмені ацетилену 3200 оС.

Плазмове різання металів являється найбільш продуктивним видом термічного різання, широко застосовується в машинобудуванні, в суднобудуванні, для різання листового металу значних габаритів тощо. Стиснення і стабілізація дуги здійснюється струменем газу разом із стовпом дуги, завдяки чому температура досягає 12000...20000 оС, і властивості металу при такому потужному спрямованому струменю теплової енергії практично не впливають на процес різання.

Нові види зварювання металів. До нових (нетрадиційних) способів зварювання можна віднести індукційне зварювання металу (нагрівання здійснюється індукційними струмами середньої і високої частоти з наступним його обтисненням), дифузійне (взаємна дифузія атомів у поверхневому шарі контактуючих матеріалів у вакуумі або атмосфері інертного газу), зварювання ультразвуком, холодне зварювання тиском (за рахунок значних зусиль стиснення), зварювання тертям (перетворення механічної енергії при взаємному переміщенні зварюваних поверхонь у теплову), плазмово-дугове, зварювання вибухом тощо.

Поняття про обробку металів різанням. Загальні основи процесу різання металів. Обробкою конструкційних матеріалів різанням називається процес відокремлення різальними інструментами шару матеріалу від заготовки для одержання необхідної форми деталі. 

Для забезпечення встановленої точності розмірів, і шорсткості поверхні більшість деталей обробляються на верстатах зняттям стружки, тобто відбувається процес різання лезовими і абразивними інструментами.

Для одержання поверхні заданої форми і розмірів заготовки і інструменти закріплюються на металорізальних верстатах, робочі органи яких надають їм руху необхідної траєкторії із встановленою швидкістю і силою.

Рухи виконавчих органів верстатів поділяють на робочі і допоміжні. Робочими називають рухи, при яких із заготовки знімається стружка; допоміжними – рухи, при яких із заготовки стружка не знімається (підвід та відвід інструменту та ін.).

Робочий рух можна розкласти на головний рух і рух подачі. Головним називають рух, швидкість якого найбільша. Зняття стружки здійснюється в основному при поєднанні головного руху і руху подачі.

Фізичні явища, що відбуваються під час різання металів. Різання металів супроводжується складною сукупністю різних деформацій – зминання, зсуву, зрізу, що супроводжуються тертям відокремлюваної стружки об передню поверхню різця і тертям поверхні різання об задню поверхню різця. В результаті пружно-пластичної деформації металу, яка відбувається під впливом різального інструменту, утворюються нові поверхні.

Заготовці від шпинделя верстату передається головний обертальний рух, різцю супортом верстату надається рух подачі; обидва ці рухи здійснюються безперервно. То ж відбувається процес поверхневого різання.

Глибина різання t – відстань між оброблюваною і обробленою поверхнями, виміряна по перпендикуляру до осі заготовки, мм:

t = (d1-d2)/2.

Подача s – переміщення різця за один оберт заготовки, мм/хв.

Класифікація металорізальних верстатів та їх будова.

Металорізальними верстатами називають машини для формування деталей із металів шляхом зняття стружки або без зняття стружки (обкатування роликами, нанесення рифлень і ін.). Будь-який верстат, як і всяка машина, складається із трьох основних механізмів: рушійного, передавального і виконавчого. Виконавчий механізм одержує рух від рушійного через передавальний і забезпечує відносне переміщення заготовки і інструменту, чим і визначається формування деталі. Передавальний механізм представляє собою сукупність пристроїв, що передають рух від двигуна до виконавчих органів верстату (шпинделю, супорту, столу), він називається приводом верстата.

Металорізальні верстати поділяють на групи відповідно до методів обробки різанням: точіння, фрезерування, свердлення, стругання, протягування.

Характеристика металорізального інструменту. Основними інструментами для токарних верстатів являються різці різних типів, а також свердла, зенкери, розвертки, мітчики, плашки і ін.

Різець складається із робочої частини або головки і стержня або тіла, призначеного для кріплення різця у різцетримачеві (таблиця). На робочій частині різця заточуванням утворюються поверхні: передня і задня. Перетин передньої і задньої поверхонь утворюють різальні кромки – головну і допоміжну. Сполучення головної і допоміжної різальних кромок утворюють вершину різця.

Кути різальної частини різця, що визначають його геометричну форму, суттєво впливають на процес різання. Оптимальні значення кутів різців і іншого різального інструменту для обробки різних матеріалів залежать від його характеру, матеріалу інструмента, розмірів і форми деталей  тощо.

Технологія обробки металів на верстатах. Технологія роботи на металорізальному верстаті визначається методом обробки та видом операцій, формою і розмірами деталі та ін.

При обробці циліндричних поверхонь застосовують повздовжнє переміщення супорту. Зовнішні циліндричні поверхні обробляються звичайними прохідними різцями, внутрішні – розточувальними. Для одержання отвору у суцільному матеріалі, його спочатку просвердлюють. Свердління, зенкування і розвертування виконують відповідними інструментами, які встановлюють і пінолі задньої бабки.

Певну специфіку мають процеси обробки конічних і фасонних поверхонь, нарізання різьб тощо.  

Поняття про електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів. В сучасному машинобудуванні з використанням спеціальних видів матеріалів обробка їх механічними методами вкрай утруднена. Для обробки важкооброблювальних матеріалів і складної форми з успіхом використовують електрохімічні та електрофізичні методи розмірної обробки. До них належать електроерозійні, електрохімічні, ультразвукові та променеві способи обробки.

В цих методах використовується перетворення електричної енергії електричних розрядів у теплову енергію.

Переваги цих методів перед іншими в тому, що:

1) цими методами можна обробляти будь-які матеріали, які володіють високими фізико-механічними властивостями;

2) завдяки простоті кінематики формоутворення можна вести обробку досить складних форм (глухі фасонні отвори, отвори дуже малих діаметрів та ін.);

3) можливість відображення форми інструмента по всій оброблюваній поверхні заготовки при простому переміщенні інструмента;

4) при обробці практично відсутній силовий вплив на заготовку;

5) обробку цими методами легко автоматизувати.

Заслуговує на увагу електроіскровий метод, який заснований на руйнуванні металу в колі постійного струму під дією іскрового розряду. Цим способом обробляють твердосплавні філь’єри, штампів, прес-форм тощо.

Список рекомендованих джерел

  1.  Гуляев А.П.  Металловедение.  –  М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
  2.  Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 1977. – 664 с.
  3.  Кондратюк С.Е. Металознавство та обробка металів. – К.: ВІКТОРІЯ, 2000. – 372 с.    
  4.  Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционных материалов. – М.: Машиностроение,  1981. –  352 с.
  5.  Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.: Металлург., 1988. – 319  с.
  6.  Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. –  Л.: Машиностроение, 1987. – 363 с.
  7.  Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов. – К.: Высшая школа, 1991. –  392 с.
  8.  Сологуб М.А. Технологія конструкційних матеріалів. – К.: Вища школа, 2002. – 374 с.
  9.  Атаманюк В.В. Технология конструкционных материалов. – К.: Кондор, 2006. – 528 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42528. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА 353.5 KB
  Эти процессы графически изображаются на экране электронно-лучевой трубки ЭЛТ которая является основным органом электронного осциллографа. Наблюдение изображения на экране осциллографа называется осциллографированием. Изображение на экране или его фотография называется осциллограммой. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру можно уменьшить количество электронов проходящих через его отверстие а следовательно уменьшить и яркость пятна на экране трубки.
42529. Ток в вакууме. Методическое указание к выполнению лабораторной работы 712 KB
  Условие вылета электрона из металла: 4 Термоэлектронная эмиссия лежит в основе получения электрического тока в вакууме и устройства вакуумных электронных ламп. Если же катод К соединённый с отрицательным полюсом анодной батареи Ба раскалить при помощи добавочной батареи накала Бнак до высокой температуры то миллиамперметр...
42530. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА 306.5 KB
  Энергия которую приобретает электрон при движении в электрическом поле с разностью потенциалов будет равна: 1 При включении тока в соленоиде его магнитное поле начинает действовать на электроны и отклонять их перпендикулярно к направлению вектора скорости электронов в каждый данный момент времени. Значение индукции и соответствующее ему значение тока...
42531. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА НА УСТАНОВКЕ С БИПРИЗМОЙ ФРЕНЕЛЯ 744.5 KB
  Бипризмы Френеля.1 показано что параллельно вершине бипризмы на расстоянии А от неё располагается щелевой источник света. Однако отклонения лучей на двух наклонных гранях бипризмы происходят в противоположных направлениях. В этой области выполняются все условия для интерференции и здесь в любой плоскости параллельной основанию бипризмы можно наблюдать интерференционную картину.
42532. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА 583.5 KB
  Величина d= а b называется постоянной или периодом дифракционной решётки. Важной характеристикой дифракционной решётки является густота штриховки n число штрихов на единице длины решётки: n = 1 d м1 10 ...
42534. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ШАРОВ 274.5 KB
  Сцепление и сопротивление при качении тел по твёрдым поверхностям.Уравнения динамики и энергетического баланса при качении тел по наклонным поверхностям. Исследование столкновения стальных шариков при качении. Изучение законов динамики при качении тел по наклонным поверхностям; 2.
42535. Определение линейных и угловых скоростей и ускорений, моментов инерции, сил натяжения нитей. Исследование энергетического баланса 950.5 KB
  Уравнения кинематики и динамики. Исследование энергетического баланса. Опыты с диском Максвелла без дополнительного кольца. Опыты с диском Максвелла с дополнительным кольцом. Определение максимальной и средней сил натяжения при рывке нити...