Материаловедение — наука о строении материалов

М А Т Е Р И Л О В Е Д Е Н И Е Лекции Елсуковой Л.А. ВВЕДЕНИЕ Материаловедение - наука о строении материалов, их свойствах и применении в технике и промышленности. Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Дмитрию Константиновичу, который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска, пластической деформации и т.д. В своих работах по кристаллизации стали и строению слитка, Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время. Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры. Все КОНСТРУКЦИОННЫЕ материалы можно подразделить на металлические и неметаллические. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ конструкционные материалы бывают на основе черных или цветных металлов. К черным относят железо и сплавы на его основе – чугуны, стали, сплавы с особыми свойствами; к цветным - медь, алюминий, титан, магний и другие. К НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ конструкционным материалам относят пластмассы, резину, керамику, древесину, стекло и др. Большое разнообразие применяемых конструкционных материалов, обусловлено большим разнообразием эксплуатационных характеристик, т.е. к материалу при эксплуатации предъявляется комплекс различных требований. Например, материал должен обладать: - высокими характеристиками прочности и пластичности; - коррозионной стойкостью; - способностью работать при высоких (низких) температурах; - износостойкостью; - электропроводностью; - иметь малый удельный вес и т.д. При конструировании, изготовлении и эксплуатации машин, приборов, конструкций специалисту (конструктору, технологу, рабочему, персоналу по обслуживанию и эксплуатации конструкций) приходится сталкиваться с конструкционными материалами, их выбором, использованием. Специалисты должны понимать выбор того или иного материала для конструкций, должен представлять, чем обусловлен выбор того или иного вида термообработки, уметь пользоваться справочной литературой, государственными стандартами. Дисциплина материаловедение является общепрофессиональной – ее изучают и сварщики, и резчики, и механики, ит.д. Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с ЗАРАНЕЕ РАССЧИТАННЫМИ СВОЙСТВАМИ применительно к заданным параметрам и условиям работы. До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь, они обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Поэтому, по данным научных исследований, через 20-40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на основе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт. ОСОБЕННОСТИ АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В огромном ряду материалов, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому : и в названиях эпох – золотой, серебряный, бронзовый, железный века; и в археологических находках металлических изделий ( кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов. Металлы характеризуются определенным набором свойств : металлический блеск (хорошая отражательная способность); - пластичность; высокая теплопроводность; высокая электропроводность. Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность, электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа». Общим свойством металлов и их сплавов является их КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, характеризующееся закономерным расположением атомов в пространстве ( в отличие от аморфных тел, характеризующихся беспорядочным расположением). Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, являющейся воображаемой пространственной сеткой, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Наиболее распространены три типа кристаллических решеток: - объемно-центрированная кубическая ОЦК ( Cr , Mo, α - Fe, W, V)$ - гранецентрированная кубическая ГЦК ( Al, Ni, Cu, γ-F, Ag, Au); - гексональная плотноупакованная ГПУ (Mg, Ti, Zn, Co, Be). Рассматривая схематические изображения, необходимо помнить, что реальный металл состоит из большого числа ячеек, условные линии воображаемы, а атомы колеблются в условных точках, так называемых УЗЛАХ РЕШЕТКИ. Рис.1. Типы кристаллических решеток - .Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1984 (далее : учебник ), стр.7, рис.1.1. Из рисунка видно, что решетка ОЦК менее компактна, чем ГЦК и ГПУ. ПОЛИМОРФИЗМ МЕТАЛЛОВ Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различные кристаллические решетки. Способность металлов существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизм или аллотропия. Ряд элементов : (Fe, Ti, Co, Mn, Sn, Ca, Li ) имеют две и более модификации кристаллических решеток. Обозначаются они малыми буквами греческого алфавита (α,β,γ…), начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре. Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения. Рассмотрим кривую охлаждения железа в координатах температура – время, характеризующую его полиморфные превращения. Рис.2. Кривая охлаждения железа. Учебник, стр.13, рис1.11. На явлении полиморфизма основана термообработка сплавов. При переходе из одной модификации в другую, меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества γ- Fе на 3 % больше плотности α – Fe, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке. Наличие горизонтальной площадки на кривой охлаждения объясняется тем, что превращение одной модификации в другую сопровождается тепловым эффектом (выделением тепла) – т.е. охлаждение компенсируется выделением тепла; в итоге превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре - на графике – горизонтальная площадка. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, т.е. имеют Поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Рис.3. Поликристаллическое строение металлов. Учебник, стр.19, рис2.3, а). В самой кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты – нарушения в расположении атомов в кристаллической решетке. Различают три типа дефектов кристаллического строения : точечные (малые во всех трех измерениях), линейные (малые в двух измерениях и протяженные в третьем) и поверхностные (малые в одном измерении). К точечным относятся : ВАКАНСИИ – свободные места в узлах кристаллической решетки; ДИСЛОЦИРОВАННЫЕ АТОМЫ - атомы, сместившиеся из узлов в междоузельные промежутки Рис.4. Точечные дефекты Учебник, стр.8, рис.1.2,г). Точечные дефекты производят локальные изменения межатомных расстояний, тем самым искажая кристаллическую решетку, что способствует некоторому упрочнению кристаллов. (и увеличению их электросопротивления). ЛИНЕЙНЫЕ несовершенства - так называемые ДИСЛОКАЦИИ – это сдвиги, смещения в кристаллической решетке. Рис.5. Линейные дефекты -дислокации. Учебник, стр.9, рис1.3. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов. Дислокации подвижны, т.к. решетка в их зоне искажена и атомы смещены относительно своего равновесного положения . ( Чем легче перемещаются дислокации , тем ниже прочность материала , тем легче идет пластическая деформация). Дислокации образуются при кристаллизации, при пластической деформации, при термообработке и т.д. С увеличением плотности дислокаций (т.е. увеличение их количества в единице объема) , их движение постепенно затрудняется (они как бы мешают друг другу , тормозят друг друга), что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется. Из всего сказанного выше сделаем следующий важный ВЫВОД: повышение прочности металлов м.б. достигнуто 2 путями : 1) Получение металлов с кристаллической решеткой , близкой к идеальной (т.е. без дефектов кристаллического строения – монокристаллы) 2) Наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций . Препятствовать движению дислокаций, т.е. упрочнять металл можно путем введения легирующих элементов, наклепом (обработка давлением для придания формы в холодном состоянии), термической или термомеханической обработкой… К ПОВЕРХНОСТНЫМ несовершенствам относятся границы зерен металла( малая толщина и значительные размеры в двух других измерениях). Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону ( 5-10 атомных расстояний) с нарушенным порядком расположения атомов. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением дислокаций и примесей. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются также местом повышенной концентрации примесей, что обуславливает их существенное влияние на механические свойства. Рис.6. Поверхностные несовершенства . Учебник, стр.11, рис1.7. ЧЕМ МЕЛЬЧЕ ЗЕРНО ( при мелком зерне протяженность границ увеличивается , а они в свою очередь препятствуют перемещению дислокаций), ТЕМ ВЫШЕ ПРОЧНОСТЬ металла, одновременно увеличиваются его ПЛАСТИЧНОСТЬ и ВЯЗКОСТЬ. ИЗОТРОПИЯ АНИЗОТРОПИЯ (изотропность – одинаковость, анизотропность – неодинаковость свойств по разным напрвлениям) Аморфные тела, где расположение атомов хаотично и расстояния между атомами по всем направлениям одинаковы, имеют одинаковые свойства при испытаниях по разным направлениям, те. являются изотропными . В кристалле расстояния между атомами в разных направлениях различно ( вспомни эскизы кристаллических решеток). Поэтому и свойства в разных направлениях различны. Неодинаковость свойств в зависимости от направления испытания называется анизотропией (частица «а» - отрицание) . Таким образом монокристаллы обладают анизотропией. Реальные металлы состоят из большого числа кристаллов, хаотично расположенных относительно друг друга, поэтому расстояния между атомами по всем направлениям усредняются и поликристаллы характеризуются изотропностью. Однако, при обработке металлов давлением, большинство зерен приобретает одинаковую ориентировку (текстуру), поэтому металл становится анизотропным, т.е его свойства вдоль и поперек направления деформации существенно отличаются. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ В газах отсутствует закономерность в расположении частиц, твердые кристаллические тела имеют правильное строение. В жидкостях определенная ориентировка распространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов. При охлаждении жидкости, подвижность атомов падает и вблизи температуры кристаллизации образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы как в кристаллах. Эти группировки являются ЦЕНТРАМИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ или ЗАРОДЫШАМИ. МЕХАНИЗМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Дмитрием Константиновичем Черновым было установлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно: 1) зарождение центров кристаллизации (это небольшие группировки атомов в жидком состоянии упакованные также, как и в тв. состоянии); 2) рост кристаллов из этих центров. Рис.8. Схема кристаллизации металла. Учебник, стр.11, рис1.6. Взаимным ростом кристаллов объясняется их неправильная форма. Реальные твердые кристаллы, получившие неправильную форму называются (как мы уже отмечали раньше) ЗЕРНАМИ или КРИСТАЛЛИТАМИ. От соотношения СКОРОСТИ ЗАРОЖДЕНИЯ и РОСТА зависит размер зерна. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ ??? Свойства выше у крупно- или мелкозернистой структуры? Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: max число центров и малая скорость роста. Размер зерен при кристаллизации зависит от числа частичек нерастворимых примесей (оксидов, нитридов, сульфидов) которые являются готовыми центрами. А также от степени переохлаждения: при увеличении степени переохлаждения (например, заливка в холодную металлическую форму – изложницу) число зародышей увеличивается, что приводит к образованию большого количества мелких зерен. Мелкозернистую структуру можно получить также в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляют посторонние вещества – модификаторы (для стали – алюминий, ванадий, титан, для чугуна – магний) СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА Схема стального слитка , данная еще Черновым Д.К. имеет следующий вид Рис.9. Строение слитка спокойной стали. Учебник, стр.73, рис.6.10. Слиток состоит из трех зон: 1- мелкокристаллическая корковая зона (mах переохлаждение) 2- зона столбчатых кристаллов ; 3- внутренняя зона крупных равноосных кристаллов. Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения, скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Здесь образуется мелкозернистая структура. Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, т.е. в направлении теплоотвода. Рост начинается с осей I порядка, одновременно на их ребрах происходит зарождение и рост осей II порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (4,5,6) которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом. Рис.10. Схема дендрита по Чернову Д.К. Учебник, стр.12, рис.1.10.,а). Так как теплоотвод (от незакристаллизовавшегося металла) в середине слитка в разные стороны выравнивается , то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Для решения основной задачи металловедения – определение связи структурой (строением) и свойствами материала используют различные методы, которые подразделяются на две группы: структурные и физические. К структурным относят такие, которые основаны на непосредственном наблюдении строения металлов – это макро-, микроскопический анализ, просвечивающая электронная микроскопия и др..; физические методы исследования основаны на измерении различных физических свойств. Рассмотрим только металлографические методы исследования ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ (макроанализ). Макроструктурой называют строение металла, видимое без увеличения или небольшом увеличении ( х 10-30раз). Макроструктуру можно исследовать непосредственно на поверхности металла – в изломе или на макрошлифе. Изучение излома называют фрактографией. По излому можно судить о размере зерна, особенностях литья, сварки, проката, выявить макродефекты, классифицировать характер разрушения (определить дефект технологический или эксплуатационный). Макрошлифом называют поверхность образца (темплета), подготовленную для исследования макроструктуры. Темплет вырезают в определенном месте, которое подвергают исследованию. Поверхность темплета шлифуют ( на шлифовальном станке, а также вручную) с помощью шлифовального круга или грубой шлифовальной шкурке, промывают, обсушивают, подвергают травлению и исследуют. Места скопления примесей, различные несплошности ( поры, раковины, трещины) и др. дефектные участки структурно травятся сильнее и выглядят темнее остальных участков. МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (микроанализ) применяют для определения микроструктуры и выявления микродефектов - микротрещин, микропор, для обнаружения неметаллических включений (сульфидов, оксидов…) и т.д. с помощью металлографических (принцип отраженного света) микроскопов ( х до 2000 раз) и электронных микроскопов ( х 200 000 раз). Шлифы для металлографических микроскопов приготавливают также , как и для макроанализа. Однако после шлифования ( шлифование проводят последовательно на нескольких шлифовальных шкурках , начиная с более крупной и заканчивая шлифовать на шкурке с мелким абразивом), шлиф для микроанализа до зеркального блеска полируют . После полировки образец промывают водой, просушивают фильтровальной бумагой и протравливают (при необходимости) различными реактивами. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Металлы обладают следующими свойствами: физическими (температура плавления, плотность, теплопроводность и т.д.), химическими ( способность вступать в химическое взаимодействие…), технологическими ( способность подвергаться различным способам обработки: резанием, давлением и т.д.) и механическими (cвойства, характеризующие способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил) ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Технология материалов представляет собой совокупность современных знаний о способах производства материалов и средствах их переработки в целях изготовления изделий различного назначения. Металлы и сплавы производят путем выплавки при высоких температурах из различных металлических руд. Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называется металлургией. Полимеры (пластмассы, резина, синтетические волокна) изготовляются чаще всего с помощью процессов органического синтеза. Исходным сырьем при этом служат нефть, газ, каменный уголь. Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки из металлов и сплавов производятся путем литья или обработки давлением. Литейное производство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленного металла в специальную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изделия. Различают литье в песчаные формы (в землю) и специальные способы литья. Песчаные литейные формы изготовляются путем уплотнения формовочных смесей, основой которых является кварцевый песок. К специальным способам относится литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье в оболочковые формы, литые по выплавляемым моделям. Кокиль - это специальная металлическая форма. При литье под давлением заливка металла в металлическую форму и его застывание происходит под избыточным давлением. При центробежном литье металл заливается во вращающуюся металлическую форму. Оболочковые формы состоят из мелкого песка со связующим. При литье по выплавляемым моделям керамическая форма изготовляется путем погружения модели из легкоплавкого материала (парафина, стеарина) в керамическую суспензию и последующей выплавки мо дели из формы. Сплавы, предназначенные для получения деталей литьем, называются литейными. Обработкой металлов давлением называют изменение формы заготовки под воздействием внешних сил. К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка. Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. При прессовании металл выдавливается из замкнутого объема через отверстие. Волочение заключается в протягивании заготовки через отверстие. Ковкой называется процесс свободного деформирования металла ударами молота или давлением пресса. Штамповкой получают детали с помощью специального инструмента - штампа, представляющего собой металлическую разъемную форму, внутри которой расположена полость, соответствующая конфигурации детали. Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давлением, называют деформируемыми. Сравнительно новым направлением производства металлических деталей является порошковая металлургия, которая занимается производством деталей из металлических порошков путем прессования и спекания. Изделия из пластмасс получают путем прессования, литья или выдавливания. Резиновые изделия получают обработкой между вала ми (каландрированием), выдавливанием, прессованием или литьем с последующей вулканизацией (см раздел 7.2.). Изделия из керамических материалов получают путем формования и обжига или прессования и спекания. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений материалов путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом), а также пластмассы. Заключительной стадией изготовления изделий часто является обработка резанием, заключающаяся в снятии с заготовки режущим инструментом слоя материала в виде стружки. В результате этого заготовка приобретает правильную форму, точные размеры, необходимое качество поверхности. Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость - это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов подаваться обработке режущим инструментом. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Пластическая деформация и механические свойства. Деформация – это изменение формы и размеров изделия под действием напряжений. Деформация бывает УПРУГОЙ, исчезающей после приложения нагрузки и ПЛАСТИЧЕСКОЙ – остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется ( при растяжении - атомы удаляются, а при сжатии – сближаются). Изменение межатомного расстояния мало , и после снятия нагрузки под действием межатомных сил притяжения (или отталкивания – это зависит от вида нагрузки), атомы становятся на свои места. При пластической деформации происходит СКОЛЬЖЕНИЕ (СДВИГ) одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям кристаллической решетки. Для того, чтобы произвести сдвиг одной части кристалла относительно другой в идеальном кристалле, понадобилось бы очень большое усилие. Реальная же прочность металла значительно ниже теоретической за счет имеющихся дефектов – дислокаций. Процесс скольжения в кристалле реального металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль плоскости скольжения. С увеличением в металле числа дислокаций прочность сначала понижается. А затем повышается. ??? Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется темя, что они препятствуют перемещению друг друга и затрудняют пластическую деформацию. НАКЛЕП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Упрочнение металла в результате холодной деформации называется НАКЛЕПОМ. При наклепе прочность и твердость увеличиваются, но пластичность снижается . Большая степень деформации приводит к изменению формы и соотношения размеров зерен. До деформации После деформации Рис.11. Влияние пластической деформации на структуру металла. Учебник, стр.19, рис. 2.3. Волокнистое строение и наклёп могут быть устранены при нагреве металла. Частичное снятие наклёпа происходит уже при небольшом нагреве ( до 300 – 400 С для железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется. При нагреве до более высокой температуры в металле происходит образование новых равноосных зерен. Этот процесс называется рекристаллизацией. Наклёп при этом снимается полностью. Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурой рекристаллизации. Абсолютная температура рекристаллизации Тp связана с абсолютной температурой плавления простой зависимостью: Тp = а * Тпл. Где: а – коэффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6. Если деформирование металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации, то наклёп после деформации не возникает. Такая деформация называется горячей. При горячей деформации идут одновременно процессы упрочнения и рекристаллизации. Деформация, которая происходит ниже температуры рекристаллизации, называется холодной. Методы испытания механических свойств В зависимости от способа приложения нагрузки. Методы испытания делят на 3 группы: - СТАТИЧЕСКИЕ, когда нагрузка возрастает медленно и плавно : испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость; - ДИНАМИЧЕСКИЕ, когда нагрузка увеличивается с большой скоростью: испытания на ударный изгиб; - ЦИКЛИЧЕСКИЕ - нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по значению 6 испытания на усталость (долговечность). Усталость – разрушение материала при многократных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести (при этом происходит постепенное накопление повреждений в металле , зарождение усталостной трещины , ее последующее развитие во времени). На методы механических испытаний установлены ГОСТы. Испытание на РАСТЯЖЕНИЕ Проводят на разрывной машине. Цилиндрический или плоский образец зажимают (в струбцинах) с двух сторон и производят растяжение образца, постепенно увеличивая нагрузку. При этом длина образца увеличивается (так называемое удлинение). Испытания проводят до разрыва образца. Чтобы результаты не зависели от размеров образца, ДИАГРАММУ РАСТЯЖЕНИЯ cтроят в относительных координатах. σ - растягивающее напряжение. σ = F/Sо, где F - нагрузка, Sо – начальная площадь поперечного сечения.; Ε- относительна деформация, Ε = ∆l /lо, Где ∆l –изменение длины образца (абсолютное удлинение Рис.12. Диаграмма растяжения. Единицы измерения : σ – Мпа, δ, φ - % Учебник,стр.21,рис.2.6. От начала нагружения до точки σ пц зависимость прямая – удлинение пропорционально прилагаемой нагрузке. σпц - Предел ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ. Если нагрузка вызывает в образце напряжения меньше σ пц, то после снятия нагрузки размеры образца полностью восстанавливаются . При σ>σпц возникает остаточная деформация. Напряжение, при котором возникает относительное остаточное удлинение ∆l/lо≤0-0,005 (т.е. очень малых значений) – называют УСЛОВНЫМ пределом УПРУГОСТИ (σ0,02, σ0,005). При дальнейшем росте нагрузки, кривая (для пластичных металлов) имеет горизонтальный участок (т.е. деформация увеличивается при постоянном напряжении). Металл как бы течет, это напряжение σт – предел ТЕКУЧЕСТИ. Если площадка текучести отсутствует , то за предел текучести принимают ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ УСЛОВНЫЙ σ0,2, при котором остаточное удлинение Е =∆l/l= 0,2%. Еще большее увеличение нагрузки вызывает рост напряжений в образце, которые достигают максимальное значение, называемое σВ – пределом ПРОЧНОСТИ (или временное сопротивление разрыву). При этом напряжении образуется шейка – местное утонение. В точке σ к происходит разрыв образца. При испытаниях на растяжение определяют также ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ.: - относительное УДЛИНЕНИЕ δ=lк – lо/ lо х 100%; lк,о – конечная, начальная длина рабочей части образца. - относительное сужение ψ= Sо- Sк / Sо х 100%, где S о,к - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца. ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ ТВЕРДОСТЬ - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Наиболее простым способом является царапание твердым надфилем по поверхности. На металле с малой твердостью остается хорошо видимая царапина. Но конечно этот метод не точен. Из множества методов измерения твердости наибольшее применение нашли следующие способы : метод Бринелля, метод Роквелла, метод Виккерса, а также измерение микротвердости на микротвердомере. Определение твердости по Бринеллю. В поверхность исследуемого металла вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 2,5, 5 или 10мм. На поверхности остается отпечаток –лунка. Число твердости по Бринеллю НВ = F/Sотп, где F – нагрузка на шарик, Н(ньютон), Sотп- площадь отпечатка от шарика, мм 2. Практически величину твердости НВ не рассчитывают, а выбирают по таблицам в зависимости от диаметра отпечатка, который определяют с помощью специальной лупы с делениями. Нагрузка F, устанавливаемая на твердомер Бринелль зависит от материала образца и диаметра шарика. ??? ( Чем выше предполагаемая твердость, тем больше диаметр шарика и нагрузка). При диаметре шарика 10мм нагрузка д.быть 30кН (3000кгс). Пример обозначения твердости : НВ 185. При применении других диаметров и нагрузок их величину проставляют через дробь после символа НВ –НВ 5/750 185 . Для углеродистых сталей примерно можно использовать следующую зависимость: σВ = 0,3 НВ (если НВ185, σВ = 185 х 0,3 = 60 кгс/мм2 = 600МПа). Методом Бринелля испытывают материалы твердостью не более НВ450 (при более высокой твердости шарик деформируется и замеры становятся неточными). Определение твердости по Роквеллу. В зависимости от твердости испытуемого материала, используют наконечники двух типов: - стальной закаленный шарик диаметром 1,58мм при нагрузке 1000Н. В этом случае используется красная шкала прибора В и твердость обозначается НRВ( 64…102); применяется для образцов малой и средней твердости. - алмазный конус с углом при вершине 120 градусов при нагрузке: 1500Н – шкала С черная , обозначение НRС (1-72) ; применяется для испытания твердых материалов. 600Н- шкала А черная, обозначение НRА; применяется для очень твердых металлов и для тонких образцов. При этом методе измеряют глубину проникновения наконечника под действием суммарной нагрузки (нагрузку прилагают в две стадии –предварительная и окончательная). Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах ( за единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм - 2мкм). Существует факультативный (примерный) пересчет значений твердости по Бринеллю и Роквеллу: НRС=НВ/10. Метод Роквелла широко применяется, т.к. 1). можно измерять очень мягкие и очень твердые материалы; 2). метод прост в применении; 3) величина отпечатков мала, поэтому можно контролировать твердость на готовых изделиях. Определение твердости по Виккерсу. В поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 градусов, при нагрузках 10-1000Н (т.е. большой интервал нагрузок). Твердость определяют по диагонали отпечатка и обозначают НV. Можно измерять как мягкие, так и твердые материалы. Данный метод можно применять для тонких сечений и твердых поверхностных слоев (за счет того, что можно выбрать маленькую нагрузку, для предотвращения продавливания тонких сечений и слоев). Значения твердости по Виккерсу до 400 единиц очень близко совпадают со значениями твердости по Бринеллю. Существуют таблицы с ориентировочным переводом значений твердости, определяемых различными методами. Метод Бринелля Метод Роквелла Метод Виккерса Преимущества Достаточная точность; минимальные требования к чистоте по сравнению с другими методами. Можно использовать для мягких и твердых материалов; возможен контроль на готовых деталях; очень прост и производителен. Можно использовать для мягких и очень твердых материалов; для тонких сечений и слоев; высокая точность метода. Недостатки Нельзя испытывать материалы с высокой твердостью и тонкие детали. Необходима строгая параллельность и более тщательная подготовка поверхности. Требует очень тщательной подготовки поверхности; более трудоемок. ИСПЫТАНИЯ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ (динамические испытания) Детали в процессе работы часто подвергаются ударным (динамическим) нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию этих нагрузок. (например, чугуны, сталь с крупнозернистой структурой имеют высокие показатели при статических испытаниях, однако разрушаются при небольших ударных нагрузках). Способность конструкционных материалов сопротивляться ударным нагрузкам, называется ударной вязкостью. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникого копра. маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу. УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ – это отношение работы маятника W , затраченной на ударный излом (изгиб) образца, к площади его поперечного сечения Sо в месте надреза. КС = W /Sо, Дж/м2 Стандартный образец с надрезом посередине устанавливают на опоры копра и наносят удар свободно падающим маятником. В зависимости от вида концентратора напряжений (надреза) различают образцы 3 видов: - КСU – радиус дна надреза 1,0мм; КСV - радиус дна надреза 0,25мм; КСТ – с трещиной По ударной вязкости определяется склонность металла к хрупкости при работе в условиях низких температур, т.е. хладноломкость. Минимально допустимые значения ударной вязкости включают в паспорта и технические условия на приемку материалов. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ В большинстве случаев в технике и промышленности применяют сплавы , а не чистые металлы, т.к. чистые металлы не обладают требуемым комплексом механических и технологических свойств. Механическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более компонентов и обладающее металлическими свойствами. В качестве компонентов в металлических сплавах могут быть металлы, неметаллы, химические соединения. (Пример: чугуны, стали) В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны . При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, при этом могут образовываться: - твердые растворы; химические соединения; механические смеси Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого располагаются в ней. В зависимости от того, где находятся атомы растворенного вещества, различают твердые растворы замещения и внедрения. В твердом растворе замещения – атомы растворенного замещают часть атомов растворителя. В твердом растворе внедрения – атомы растворяющегося внедряются между атомами растворителя (находятся в междоузлиях). Химическое соединение. Металлы образуют химические соединения, как с металлами, так и с неметаллами (оксиды, сульфиды, карбиды). Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, резким изменением свойств при изменении состава, а также образованием кристаллической решетки, отличной от решеток входящих в него элементов. Механическая смесь образуется, когда элементы не растворяются в твердом состоянии друг в друге и не вступают в химическое соединение. Каждый элемент кристаллизуется самостоятельно. Свойства сплава получаются промежуточными между свойствами элементов, которые его образуют. Например сплав состоит из компонентов А и В, то возможны следующие фазы: Жидкий раствор Твердый раствор Химическое соединение Механическая смесь L α АпВm А В Рис.13. Структура и строение элемент. ячейки крист. решетки двухкомпонентных сплавов. Учебник,стр.30,рис.4.1. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ Диаграмма представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия . По диаграмме можно проследить за превращениями при нагреве или охлаждении, определить структуру при данной температуре, установить режим т/о, температурный режим технологических операций. В сплавах могут образовываться следующие фазы : жидкие растворы, химические соединения, твердые растворы, механические смеси не относят к фазам – это структурная составляющая. Фаза – это однородная по химическому составу и свойствам часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела. Существует четыре основных типа диаграмм. Диаграммы состояния сплавов строят экспериментально: изготавливают серию сплавов различной концентрации, проводят эксперимент, строят кривые охлаждения и переносят их на диаграмму. ДИАГРАММА состояния сплавов, образующих НЕОГРАНИЧЕННЫЕ ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ Условием неограниченной растворимости одного компонента в другом является одинаковый тип решетки и близкие размеры атомов и свойств металла. Неограниченной растворимостью в твердом состоянии обладают системы : Fe- Cr, Fe- V, Cu-Ni Рассмотрим диаграмму состояния Cu-Ni Крайние точки на оси концентраций соответствуют чистым компонентам меди и никелю. Строим кривые охлаждения для чистой меди, чистого никеля. И кривые охлаждения промежуточного состава, например 60% Си и 40% Ni (для построения диаграмм строят множество кривых). Рис.14. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью.( Учебник, стр. 35, рис.4.5.) Рисунок на доске Плавление чистых металлов протекает при постоянной температуре – на кривой охлаждения – горизонтальная площадка. Проецируем эти точки на диаграмму. При кристаллизации сплавов (в нашем примере 60% меди и 40% никеля) имеются две критические точки 1 и2, указывающие на то, что эти сплавы затвердевают в интервале температур с образованием твердого раствора. Линия начала затвердевания сплава А1В – называется линией ЛИКВИДУСА, линия конца затвердевания А2В – линия СОЛИДУСА. Рассмотрим процесс кристаллизации по этой диаграмме, например, для сплава 70% меди и 30% никеля при очень медленном охлаждении, т .е. в равновесных условиях. Под равновесным состоянием понимают такое, при котором закончились химические реакции между компонентами, уравновесились диффузионные процессы, температура во всем объеме одинаковая. Проведем прямую I-I согласно заданной концентрации. При охлаждении сплава до температуры точки t л – сплав находится в жидком состоянии. При температуре t л начинается кристаллизация, и образуются первые кристаллы твердого раствора. Между точками t л и t с система состоит из жидкой фазы и кристаллов твердого раствора. При достижении температуры t с сплав полностью затвердевает и состоит из однородных кристаллов твердого раствора никеля в меди (т.к. никеля в данном растворе меньше) ДИАГРАММА состояния сплавов с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (т.е. образующих МЕХАНИЧЕСКИЕ СМЕСИ) Рассмотрим данную диаграмму на примере системы свинец – сурьма . свинец и сурьма обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются друг в друге. Для чистых Pb и Sb на кривых охлаждения имеется одна критическая точка (горизонтальная площадка). Для сплава 87% Pb и13% Sb горизонтальная площадка (т.е. тоже одна точка - 246градусов) является температурой затвердевания данного сплава с образованием механической смеси кристаллов Pb и Sb. Такая механическая смесь, образовавшаяся из жидкой фазы называется ЭВТЕКТИКОЙ (эвтектика с греч. –легкоплавящийся), температура – эвтектической. Состав сплава 87% Pb и13% Sb – ЭВТЕКТИЧЕСКИМ.. Для других сплавов на кривых охлаждения имеются две критические точки, указывающие на то, что эти сплавы кристаллизуются в интервале температур. Температура конца затвердевания не зависит от состава и одинакова для всех сплавов (246градусов) – эвтектическая температура. АСВ – линия ликвидуса – начало затвердевания; ДСЕ –линия конца затвердевания – линия солидуса. Рис.15. Диаграмма состояния сплавов с полной нерастворимостью.( Учебник, стр. 33, рис.4.3.) ХАРАКТЕРНЫМ для данной системы является то, что сплавы любого состава окончательно затвердевают только в том случае, если они имеют эвтектический состав 87% Pb и13% Sb. В различных по составу сплавах свинец-сурьма по сравнению с эвтектическим сплавом имеется избыток или свинца или сурьмы. Поэтому в сплаве, например, 95% Pb и 5% Sb, имеющем больше свинца, чем в эвтектическом (87%) в интервале температур от точки 1 до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристаллы Pb до тех пор, пока состав не станет эвтектическим и затвердеет при эвтектической температуре с образованием эвтектики (механическая смесь свинца и сурьмы). Так как до кристаллизации эвтектики выделяются кристаллы свинца, то после окончательного затвердевания получаем структуру свинец + эвтектика. Аналогично – при кристаллизации сплава с содержанием сурьмы больше эвтектического состава (13%). Сплавы, находящиеся левее точки С – доэвтектические (структура Pb+ эвтектика (Pb и Sb)), правее- заэвтектические и имеет структуру Sb + эвтектика. ДИАГРАММА состояния сплавов для случая ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТИ компонентов в твердом состоянии. Рис.16. Диагр. состояния сплавов для случая с ограниченной растворимостью.( Учебник, стр. 37, рис.4.6.) Характерной особенностью является наличие ниже линии солидуса (т.е. для твердого состояния) линии ОГРНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТИ (SЕ). Линия SЕ показывает изменение растворимости компонента В в А в твердом состоянии при понижении температуры. Т.е. если кристаллизуется сплав состава левее точки S, то при любой температуре все количество компонента В находится в твердом растворе (В в А – как в случае неограниченной растворимости) - структура - α-твердый раствор (компонент В растворен в решетке компонента А). Правее точки S (т.е. за пределом неограниченной растворимости). Чтобы проследить особенности, рассмотрим для примера процессы, происходящие при охлаждении, например, сплава I-I. В точке 2 сплав имеет структуру кристаллов α. При охлаждении до t3 структура не меняется. При t 3 линия I-I пересекает SЕ - линию предельной растворимости компонента В в А. Ниже этой температуры растворимость становится все меньше и меньше с понижением температуры. Все количество компонента В уже не может находиться в растворе. Часть компонента В выходит из раствора и образует отдельные кристаллы компонента В, называемые ВТОРИЧНЫМИ В2 . Процесс выделения вторичных кристаллов называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. В сплавах, лежащих правее точки Е, образуется эвтектика. Особенность ее в том, что она представляет смесь не кристаллов Аи В, с смесь кристаллов твердого раствора α и кристаллов компонента В. ДИАГРАММА состояния сплавов, где компоненты образуют ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ. Рис.17. Диаграмма состояния сплавов , где компоненты образуют химич. соединение. Учебник , стр. 38, рис.4.7.) Состав химического соединения является постоянным АmВn. Диаграмма как бы составлена из двух диаграмм для случая механической смеси. Левее точки С, соответствующей химическому соединению АmВn содержание компонента А больше, чем входит в химическое соединение, следовательно образуется механическая смесь кристаллов А + АmВn. Правее точки С – АmВn + В. В левой части образуется эвтектика А + АmВn , в правой – эвтектика В + АmВn. СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ И ТИПОМ ДИАГРАММЫ - с увеличением расстояния между ликвидусом и солидусом увеличивается склонность сплава к ликвации, образованию трещин в отливках. У сплавов эвтектического состава лучшие литейные свойства, а также они имеют лучшую обрабатываемость резанием. - сплавы, состоящие из однофазного твердого раствора лучше деформируются как в горячем , так и в холодном состоянии. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ Железоуглеродистые сплавы - это стали и чугуны. Железо может находиться в двух аллотропических формах (α-Fе – решетка ОЦК, γ-Fе – ГЦК). Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения (феррит и аустенит) и химическое соединение - цементит. Углерод также может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Существует две диаграммы состояния: Fе- Fе3С и Fе-С . ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ назван феррит аустенит цементит ледебурит Перлит** определение Это твердый раствор углерода (и др. л э) в α- Fе (ОЦК) Это твердый раствор углерода (и др. л э) в γ- Fе (ГЦК) Химическое соединение – карбид железа Fе3С Эвтектика – механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита, образованная при 1147 оС из жидкого сплава Эвтектоид – механическая смесь,состоящая из феррита и цементита, образованная при 727 оС из аустенита (т.е из тверд. фазы) Содержание углерода Максимальная растворимость 0,02% при727 оС, при комнатной – 0,006% 2,14% углерода растворяется при 1147 оС и 0,8% при 727 оС 6,67% -содержание углерода в цементите - постоянно В ледебурите содержится 4,3% углерода В перлите содержится 0,8 % углерода свойства Низкая твердость (НВ80), σВ – 250МПа, высокая пластичность: δ= 50%, ψ=80%, хорошо деформир в холодн. и гор. состоянии Аустенит пластичен: δ=40-50%, НВ 160-220МПа; (в железоуглеродистых сплавах аустенит - высокотемпературная модификация) Высокая твердость НВ 800 и очень низкая пластичность Твердость 200-250Нв, δ=10-20%, σВ=600-650 МПа Структура Зерна твердого раствора Зерна твердого раствора * * Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита. **Перлит – «перламутровый», светлый. Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить ре жимы термической обработки для изменения свойств сталей. Рис. 18. Диаграмма состояния железо – цементит (Fе – Fе3С). Учебник, стр. 80, рис. 7.2. Критические точки и линии на диаграмме: т.А (1539 о С, 100% Fе)- температура плавления железа; т.D (~ 1600 о С, 6,67%С) – температура плавления цементита; т.С (1147 о С, 4,3%С) – точка эвтектического превращения жидкого сплава в ледебурит; т.Е (1147 о С,2,14%С) – точка предельной растворимости углерода в аустените; т. G (911 о С, 100% Fе) – точка полиморфного превращения α- Fе в γ- Fе; т. S (727 оС, 0,8% С) - точка эвтектоидного превращения аустенита в перлит; АСD – линия ликвидуса (начало затвердевания); АЕСF – линия солидуса (конец затвердевания); ЕСF – линия эвтектического превращения; РSК – линия эвтектоидного превращения; Сплавы железа с углеродом до 0,02% - называются техническим железом; Сплавы железа с углеродом 0,02-2,14 % - называются сталями; Сплавы железа с углеродом 2,14- 6,67% - чугуны. Линии GSЕ, РSК, РQ характеризуют превращения в твердом состоянии: Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит; Линия SЕ показывает, что с понижением температуры растворение углерода в аустените уменьшается с 2,14% при 1147 оС до 0,8% при 727 оС, избыточный углерод выделяется в виде цементита вторичного (первичный цементит выделяется из жидкого сплава). Линия РSК(727 оС) эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается с образованием перлита (механическая смесь феррит + цементит). Сталь с содержанием 0,8 % углерода имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью; Менее 0,8 % углерода – имеет структуру перлит + феррит и называются доэвтектоидными; От 0,8 до 2,14% - перлит + цементит вторичный – заэвтектоидные стали; Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим. ровно 4,3% - эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С - заэвтектическим. СТАЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА Сталями называют сплавы железа с углеродом ( и другими элементами) с содержанием углерода до 2,14 %. На практике , в основном применяют стали с содержанием углерода до 1,5%. Стали являются наиболее распространенными материалами.. Они обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием. Для производства отливок используются стали с содержанием углерода не более 0,4%. Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их химический состав и вид термообработки. Стали подразделяются на углеродистые и легированные. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Углеродистые стали имеют в своем составе железо , углерод и некоторое количество так называемых постоянных примесей: марганец, кремний, сера, фосфор ,а также газы: азот, водород и кислород.. марганец – до 0,8%, кремний – до 04%, десятые доли сера – до 0,05 % фосфора – до 0,045% сотые доли Наличие примесей и газов в сталях обусловлено технологией получения стали. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛЕЙ Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей. УГЛЕРОД оказывает основное влияние на свойства сталей С увеличением содержания углерода твердость и прочность увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются. (т.к. с ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита – вспомним их свойства- феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердостью). При содержании в стали порядка 0,9 % углерода – прочность максимальная; при большем содержании углерода, прочность уменьшается т.к. в структуре появляется цементит вторичный в виде сетки по границам зерен и охрупчивает сталь. ПРИМЕСИ подразделяются на вредные и полезные . Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства, стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также - случайные при меси (хром, никель, медь и др.). Марганец и кремний – полезные примеси. Они являются раскислителями, их добавляют в сталь при выплавке стали для удаления оксидов. Сера и фосфор являются вредными примесями . Марганец (Мn )–содержание его в стали 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода. Кремний (Si)- содержание его в стали до 0,4%, оказывает упрочняющее действие. СЕРА (S) вызывает КРАСНОЛОМКОСТЬ стали, т.е. хрупкость при горячей обработке давлением. Красноломкость связана с наличием сульфидов FеS, которые образуют с железом эвтектику , отличающуюся низкой температурой плавления ( 988 градусов) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается . Для устранения красноломкости, содержание серы д.быть минимальным. От красноломкости сталь предохраняет марганец, т.к. марганец образует с серой сульфид МnS и тем самым исключает образование легкоплавкой эвтектики. ФОСФОР (Р) вызывает хладноломкость –это снижение вязкости по мере понижения температуры . Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % повышает порог хладноломкости на 25 градусов. КИСЛОРОД, АЗОТ и ВОДОРОД – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. При наличии большого количества в стали водорода возникает опасный дефект внутренние надрывы – ФЛОКЕНЫ. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирующие элементы (л.э.) для получения заданных свойств : хром, никель, вольфрам и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют легированной. Основные л.э.: хром, никель. бор, марганец, титан, молибден, ванадий, вольфрам, кремний… Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако, никель является дефицитным, и применение таких сталей ограниченно. Значительное количество никеля можно заменить медью. КЛАССИФИКАЦИЯ Стали классифицируются по множеству признаков. Разберем наиважнейшие. 1. По химическому составу: углеродистые и легированные 2. По содержанию углерода : - низкоуглеродистые - - до 0,25% углерода; - среднеуглеродистые - 0,3-0,6% углерода; - высокоуглеродистые - свыше 0,7%. 3. По равновесной структуре : доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные. 4. По качеству: обыкновенного качества должны содержать не более 0,045% Р и 0,05% S, качественные - не более 0,035% Р и 0,04% S, высококачественные - не более 0,025% Р и 0,025% S и особовысококачественные - не более 0,025% Р и 0,015% S. 5. По назначению : - конструкционные –для изготовления деталей машин и механизмов; - инструментальные – для различных инструментов; - стали с особыми свойствами. МАРКИРОВКА Углеродистые стали обыкновенного качества Группа А (поставляется по мех. свойствам) Ст0, Ст1… Ст6 →прочность ↑, пластичность ↓ Группа Б (поставка с гарантированным химическим составом) БСт0, БСт1…БСт6 → ↑ процент углерода Группа В (гарантированные мех. свойства и хим. состав) ВСт1, ВСт2… ВСт5 Мех. свойства соответствуют группе А аналогичных марок, а хим. состав – группе Б. Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали _ кп-кипящая, сп- спокойная, пс – полуспокойная. Цифры от0 до 6 – условный номер марки. Пример : Ст.2кп – сталь обыкновенного качества, группы А, т.е. поставляется по мех. свойствам, кипящая –степень раскисленности. КАЧЕСТВЕННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Эти стали по сравнению со сталями обыкновенного качества содержат меньше вредных примесей (серы и фосфора) и газов. Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Степень раскисленности, в основном, спокойная, поэтому индекс СП не ставится. Маркируются двухзначным числом, которое указывает среднее содержание углерода в СОТЫХ долях процента (слово сталь пишется полностью или отсутствует). Сталь 08кп, сталь 10пс, сталь 45 – содержание углерода -0,08 ; 0,1; 0,45 % Пример: Сталь 20- углеродистая качественная сталь с содержанием углерода 0,2 % , спокойная. КАЧЕСТВЕННЫЕ И ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Обозначение буквенно-цифровое : 30ХГСА, 18Х2Н4МА, 40Х В начале обозначения - двухзначное число показывает содержание углерода в сотых долях процента. Далее легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита. Цифры , следующие за буквой , показывают его содержание в целых процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. Буква А в конце марки указывает, что сталь высококачественная, Ш - особовысококачественная Обозначение легирующих элементов : Х-хром, Н- никель, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий , К –кобальт, Т- титан, Г – марганец, Д- медь, С –кремний, Р –бор, Б- ниобий, Ц –цирконий, Ю –алюминий. Пример : 12Х18Н10Т – легированная качественная сталь, содержащая приблизительно 0,12 % углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1,5% титана. Маркировку инструментальных и шарикоподшипниковых сталей будем рассматривать позже (у них особая маркировка). Чугуны Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5—4,5%. В качестве примесей, чугун содержит Si, Мn, S и Р. Углерод в чугунах может находиться: 1 – в связанном состоянии в виде цементита (диаграмма железо-цементит) – такие сплавы называются белыми чугунами (излом таких чугунов имеет белый цвет) – используются как сырье для производства сталей; 2 - в свободном состоянии в виде графита - это серые (излом серого цвета), высокопрочные и ковкие чугуны, кристаллизация проходит в соответствии с диаграммой железо – графит (линии на диаграмме железо – графит находятся несколько выше и левее, чем на железо-цементит. Кристаллизация в соответствии с диаграммой железо- графит протекает только : - при очень медленном охлаждении; - при наличии графитизирующих добавок (кремний, никель) На практике , в реальных условиях получают чугуны, в структуре которых имеется и графит, и цементит, т.е. часть углерода в свободном, а часть в связанном состоянии(например, толстостенные части отливки охлаждаются медленнее, что способствует графитизации). СЕРЫЙ чугун – сплав, в котором большая часть углерода находится в виде графита. Форма графита – пластинчатая. Графит имеет практически нулевую прочность, поэтому полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты. Серый чугун имеет низкие механические свойства при испытаниях на растяжение и более высокие при испытаниях на сжатие. Чугуны с углеродом в виде графита имеют высокую износостойкость (графит выкрашивается и действует как смазка при трении), хорошо гасят вибрацию, обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием (графит обеспечивает ломкость стружки при точении, фрезеровании, сверлении…). Чугуны дешевле сталей. Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности: в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет бв=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, .., СЧ 45. Применение: станины корпуса, крышки , маховики… ВЫСОКОПРОЧНЫЙ чугун – то же, что и серый, но форма графита - шаровидная. Получают их из серых путем модифицирования, т.е. введением добавок( чаще магния, церия). Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях МПа Например, чугун ВЧ 60 имеет бв= 600МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Механические свойства повышаются за счет того, что шаровидная форма графита меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с серыми чугунами. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов… КОВКИЙ чугун – форма графита хлопьевидная . Получают длительным отжигом (выдержка в печи при высокой температуре) белого чугуна – при высоких температурах цементит разлагается на аустенит и графит. Ковкий – это условное название. Его не куют, но по сравнению с серым, он достаточно пластичен, также за счет формы графита. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами показывающими предел прочности в десятых долях МПа и относительное удлинение в %. Так чугун КЧ 45-7 имеет бв= 450 МПа и δ=7 %. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Рис19. Форма графита серых, высокопрочных и ковких чугунов. Учебник, стр.87, рис. 7.9. . Теоретические основы термообработки Термическая обработка занимает одно из важнейших мест в технологической цепи производства стальных деталей, обуславливая, в конечном счете, получения заданных свойств ( МЕТАЛЛУРГИЯ → получение металла заданного химического состава;МЕХ.ОБРАБОТКА, ОМД, СВАРКА → получение заданной формы изделия;ТЕРМООБРАБОТКА → получение заданных свойств). Термообработка – это технологическая операция при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения происходят СТРУКТУРНЫЕ изменения, приводящие к улучшению свойств сплава. Термообработка характеризуется следующими основными параметрами: - нагрев до определенной температуры t нагр; время выдержки при этой температуре τ выд.; скорости нагрева Vнагр и охлаждения V охл. Любой процесс ТО можно описать в координатах t – τ Рис.20. Графическое изображение операций термообработки. Учебник, стр. 92, рис. 8.1, а). Основными видами ТО являются : отжиг, нормализация, закалка + отпуск/старение/ Теория ТО основана на теории фазовых превращений.. Вспомним еще раз превращения в стали при нагреве: - при нагреве доэвтектоидной стали (исходная структура Ф+П) при переходе через критическую точку А1 (РSК, 727 ) перлит превращается в аустенит , т.е. образуется структура Ф + А. При дальнейшем повышении температуры Ф постепенно превращается в А и после перехода через А3, структура состоит из аустенита. - при нагреве заэвтектоидной стали ( П+Ц) происходят аналогичные превращения, но избыточной фазой является не феррит, а цементит, который полностью растворяется в аустените при достижении точки Аm (SЕ). ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЛИТА В АУСТЕНИТ Превращение П в А носит ДИФФУЗИОННЫЙ ХАРАКТЕР, т.к. сопровождается перемещением атомов углерода на расстояния большие межатомных Диффузия –это проникновение частиц (молекул, атомов) одного вещества в другое при их непосредственном соприкосновении , обусловленное тепловым движением молекул (наиболее быстро идет диффузия веществ в газообразном состоянии , наиболее медленно в твердом состоянии). РАСПАД АУСТЕНИТА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ Для распада аустенита д. быть его ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ (с аналогией ПЕРЕГРЕВА) Экспериментально строят диаграммы изотермического (т.е. при постоянной температуре) распада аустенита. Делают это таким образом: ряд образцов нагревают до однородного аустенита, затем переносят в термостаты с постоянной (неизменной) температурой и выдерживают до полного распада аустенита.. Первый образец переносят в термостат с температурой 727 градусов, а каждый последующий на 20-30 градусов ниже предыдущего. И по магнитным характеристикам ( феррит и цементит обладают магнитными свойствами, а аустенит нет) определяют количество аустенита, превратившегося в феррито-цементитную смесь. Рис.21. Диаграмма изотермического распада Аустенита эвтектоидной стали. (учебник, стр. 98, рис. 8.8.) ; рисунок на доске. На диаграмме мы видим две С- образные кривые. Превращения выше и ниже изгиба С-образной кривой имеют различный характер и получаются различные продукты распада аустенита. Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ (диффузионное) При малых степенях переохлаждения - от 727 до 550 (до перегиба) превращение А в феррито-цементитную смесь по своему механизму является ДИФФУЗИОННЫМ. Перед распадом углерод диффундирует к границам зерен и образуются зародыши Ц (Fе3С – 6,67% углерода) .Рост зародышей происходит за счет диффузии углерода из соседних объемов – т.е. соседние участки обедняются углеродом, таким образом рядом с цементитными пластинами образуются пластины Ф. В итоге получаем Перлит , в котором пластины Ф и Ц параллельны друг другу. При этом, чем ниже температура при которой происходит распад А, тем более мелкодисперсной и твердой получается феррито-цементитная смесь . В зависимости от степени переохлаждения образуются структуры, называемые перлит, сорбит и тростит. Это структуры одного типа – механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности. То есть толщиной пластинок феррита и цементита. Наиболее крупнодисперсная структура – перлит, мелкодисперсная – троостит. При переохлаждении аустенита приблизительно ниже 240С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе. Тема 5.1.2. ОТЖИГ СТАЛИ ОТЖИГОМ называется РАЗУПРОЧНЯЮЩАЯ обработка деталей и заготовок , заключающаяся в нагреве до определенной температуры ( в пределах критических точек) выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе С ПЕЧЬЮ. (30-100 градусов / час) Существуют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линии диаграммы Fe-FeC. Для конструкционных сталей наибольшее применение имеет перекристаллизационный (нагрев металла выше критических температур обеспечивает полную перекристаллизацию структуры) отжиг., а для инструментальных - отжиг на зернистый перлит (или сфероидизирующий отжиг). ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ (ПОЛНЫЙ ) ОТЖИГ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ Конструкционные стали чаще всего содержат углерода до 0,7 %, т.е. являются доэвтектоидными. Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горячей обработки давлением из-за ускоренного охлаждения с высоких температур могут иметь повышенную твердость , что затрудняет их обработку резанием . Кроме того отливки и горячедеформированная сталь часто приобретают структурные дефекты, ухудшающие их свойства . Поэтому то и проводят перекристаллизационный отжиг - для снижения твердости, повышения пластичности, вязкости и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения (возникшие в результате различных технологических операций). Перекристаллизационный отжиг является полным отжигом и проводится при температурах на 30-50 градусов выше А3 (GS) . При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру. Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали. Перегрев - это нагрев доэвтектоидной стали значительно выше А3, при этом происходит интенсивный рост зерна аустенита . При охлаждении феррит выделяется в виде игольчатых кристаллов – так называемая видманштеттовая структура. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением. Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления.. при этом зерна границ окисляются , что резко снижает прочность. Пережог – неисправимый брак. СФЕРОИДИЗИРУЮЩИЙ ОТЖИГ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ. Инструментальные стали (для режущего, измерительного инструмента и для штампов) содержат углерода от 0,7 до 1,5 % . Высокое содержание углерода обуславливает высокую твердость инструментальных сталей , что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твердости такие стали отжигают . Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг также подготовляет структуру к закалке. Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого перлита, когда цементит перлита имеет округлую форму. Отсюда и название отжига – сфероидизация. Температура нагрева на 30- 50 градусов выше А1 (727, линия PSK) и относится этот отжиг к неполным (т.к. нагреваем не в чисто аустенитную область , а в область со структурой А + Ц2). При таком нагреве в структуре сохраняется Ц2, который при охлаждении выполняет роль центров кристаллизации сфероидального цементита. Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряжения, возникающие при кристаллизации или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии PSK диаграммы Fe-FeC (200–600С). 1- полный отжиг, нормализация, закалка; 2- неполный отжиг, закалка; 3- нормализация; 4- отпуск, низкотемпературный отжиг для снятия напряжений. Рис.22. Области температур нормального нагрева при ТО. Рисунок на доске. Нормализация Нормализация - это разновидность отжига Температура нагрева составляет :- доэвтектоидные - выше GS; заэвтектоидные – выше SЕ - охлаждение на ВОЗДУХЕ , т.е. с большей скоростью, чем при отжиге . ЦЕЛЬ нормализации та же, что и при отжиге,. Однако твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига (смотри диаграмму изотермического распада аустенита., раз больше скорость, значит распад аустенита будет происходить при более низкой температуре, следовательно будет образовываться более дисперсная феррито-цементитная смесь, имеющая большую твердость). Поэтому в качестве отжига применяется только в низкоуглеродистых сталях (доэвтектоидных). В заэвтектоидных сталях нормализация проводится для устранения цементитной сетки – т.к. при нагреве выше SЕ (попадаем в аустенитную область) цементит полностью растворится в аустените, и при охлаждении на воздухе ( скорость на воздухе больше, чем при охлаждении с печью) Ц не успевает выделиться по границам зерен (а более рассредоточен по всему объему). . Закалка стали на мартенсит Закалка –это нагрев доэвтектоидных сталей выше GS, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей выше РSК (727) на 30- 50градусов , выдержка при данной температуре и последующее быстрое охлаждение в закалочной среде (обычно вода или минеральные масла). ЦЕЛЬ закалки- получение максимальной твердости и прочности. Основная структура закаленной стали – это МАРТЕНСИТ, обладающий высокой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Характерной особенностью аустенитно-мартенситного превращения является его БЕЗДИФФУЗИОННЫЙ характер. ??? Что же происходит? При сильном переохлаждении углерод не успевает выделиться из Аустенита (в виде частичек цементита) как в перлитном (диффузионном) превращении. Происходит перестройка γ-Fе (ГЦК) в α-Fе (ОЦК) . При этом весь углерод Аустенита (например в эвтектоидной стали его 0,8%) переходит в решетку α-Fе , искажает (растягивает до параллелепипеда), т.е. происходит мартенситное превращение. МАРТЕНСИТ – это ПЕРЕНАСЫЩЕННЫЙ твердый раствор углерода в α-Fе. ( Вспомните определение Феррита). Мартенситный кристалл имеет форму тонкой пластины (из-за искаженности решетки углеродом) и под микроскопом имеет вид игл различной толщины. Мартенсит характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью. ??? Влияет ли количество углерода в стали на твердость мартенсита Чем больше в стали углерода, тем больше пересыщен твердый раствор, больше искажена его решетка, тем выше напряжения и твердость мартенсита. Твердость мартенсита в стали с 0,8 % углерода (эвтектоидная сталь) порядка 60 НRС. В закаленной на мартенсит стали остается некоторое количество непревратившегося аустенита (чем больше в стали углерода, тем больше количество нераспавшегося аустенита), который называется ОСТАТОЧНЫМ Охлаждающие среды: масло минеральное, вода, солевой раствор (10% раствор NаСl в воде). Рассматривая закалку сталей, необходимо ввести такие понятия, как закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость в процессе закалки. Закалке подвергаются стали с содержанием углерода не менее 0,3%. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3%) практически не закаливаются и закалка для них не применяется. Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр D, то есть максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе. Отпуск стали Мартенсит – это неустойчиваяструктура за счет большого запаса внутренней энергии. А, как нам известно, система всегда стремится к минимальному запасу внутренней энергии. И мартенсит, кристаллическая решетка которого искажена большим количеством углерода, можно сравнить с чемоданом битком набитом вещами – состояние чемодана неустойчивое – достаточно небольшого толчка, он откроется и лишние вещи из него выпадут. Тоже можно сказать и про мартенсит – это неустойчивое состояние и система стремится перейти в более устойчивое равновесное состояние. Нагревание закаленной стали при отпуске облегчает этот переход. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ (отпуске) Закаленная сталь со структурой М+ Аост, находится в неустойчивом состоянии и стремится перейти в более устойчивое. Нагревание закаленной стали при отпуске облегчает этот переход. ОТПУСК всегда проводится после закалки –для снятия внутренних напряжений, получения более равновесной структуры, которая обеспечивает вязкость и пластичность стали . ОТПУСКОМ называют нагрев закаленной стали до температур, не превышающих РSК (727) Превращения при отпуске связаны с процессом распада твердых растворов Мартенсита и А ост с образованием в конечном счете феррито-цементитной смеси . СУЩНОСТЬ РАСПАДА СОСТОИТ В ПОРСТЕПЕННОМ ВЫДЕЛЕНИИ УГЛЕРОДА ИЗ МАРТЕНСИТА Образующиеся при отпуске структуры имеют те же названия, что и продукты диффузионного распада Аустенита.: троостит, сорбит, перлит. Однако структуры имеют зернистое строение, а не пластинчатое и добавляется индекс, например Сотп (сорбит отпуска). ОТПУСК – это окончательная термическая обработка. С повышением температуры нагрева при отпуске, прочность и твердость обычно снижаются, а а пластичность и вязкость увеличиваются. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемых свойств конкретной детали. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. НИЗКИЙ отпуск . Температура нагрева составляет 150-300 градусов. В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения, происходит некоторое увеличение вязкости и пластичности без заметного снижения твёрдости. Полученная структура называется Мотп (мартенсит отпуска). Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей (инструменту необходима высокая твердость), а также для деталей, подвергшихся цементации, от которых требуется высокая твердость поверхности. СРЕДНИЙ отпуск . Температура нагрева составляет 300-450 градусов. Получают структуру Троостит отпуска , сочетающую высокую твердость (40 НRС) с хорошей упругостью и вязкостью. Такому отпуску подвергают изделия типа пружин, рессор. ВЫСОКИЙ отпуск. Температура нагрева составляет 450-650 градусов. Структура после высокого отпуска –Сорбит отп. В результате прочность и твёрдость снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали –– сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей сталей с содержанием углерода 0,3-0,5 %. ( достигается оптимальное сочетание свойств - золотая середина). Поверхностное упрочнение стали Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твёрдости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку –– в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности. При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц–10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагревающие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с увеличением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжительности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, в пределах 1-10 мм. Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, отсутствие окалинообразования. Недостаток – высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийному производству. Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы –– лазерная обработка. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объём металл приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твёрдости и износостойкости. Химико-термическая обработка (ХТО) ХТО–– процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счёт насыщения её различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твёрдости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование , нитроцементация… Цементация –– процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путём нагрева стальных деталей при 880–950С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации –– газовую и твёрдую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СH и оксид углерода CO. Твёрдая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей NaCO или Ba CO. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,1–0,3%). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0–1,2%. Толщина цементованного слоя составляет 1–2,5 мм. Цементацией достигается только выгодное распределение углерода по сечению детали. Высокая твёрдость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твёрдость поверхности составляет HRC 60. Цементации подвергают зубчатые колеса, втулки, оси, ролики… Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышается не только твёрдость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500–600С в среде аммиака NH в течение длительного времени (до 60 часов). Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твёрдость стали повышается за счёт образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твёрдость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3–0,6 мм., твёрдость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при цементации HV 900). К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твёрдость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса Азотируют детали автомобилестроения, пресс-формы… Цианирование –– процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaCN или KCl. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500–600С, время процесса 1 – 1,5ч. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет до 2 мм, твёрдость поверхности –– HV 1000. Низкотемпературное цианирование применяют для инструмента из быстрорежущей стали. После цианирования необходима термообработка : закалка + низкий отпуск. Преимущества процесса : малая продолжительность, отсутствие коробления , высокая твердость поверхности. Недостаток - высокая токсичность цианистых солей Нитроцементация - то же, что и цианирование (углеродом и азотом одновременно), но насыщение идет из газообразной фазы. Температура процесса ниже, чем при цементации, а твердость и износостойкость выше. Все рассмотренные процессы – это насыщение поверхности неметаллами. Наряду с эти проводят насыщение металлами – металлизация Металлизация Алитирование – насыщение поверхностного слоя алюминием - для повышения жаростойкости. Хромирование - насыщение хромом. Цель – получение высокой твердости, жаростойкости, коррозионной стойкости поверхности. Борирование – насыщение бором. Борированные слои имеют очень высокую твердость (НV 2000), но очень хрупки. Металлизация - процесс очень дорогостоящий, осуществляется при очень высоких температурах(1000-1200о С), в течение длительного времени (растворы замещения, а не внедрения, как при цементации) Поверхностное упрочнение пластическим деформированием основано на способности стали к наклёпу при пластической деформации. Наиболее распространёнными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обработка поверхности роликами или шариками. При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробемётов направляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0,5–1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твёрдость и износостойкость обработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструйной обработке составляет около 0,7 мм. Обкатка роликами производится с помощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина упрочнённого слоя доходит до 15 мм. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Легированные имеют ряд преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего, прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и коробления деталей. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства). Классификация: 1. По содержанию легирующих элементов – низколегированные (общее содержание л.э. до 2,5 %.), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (свыше 10 %). 2. По назначению : конструкционные, инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами(нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные…) 3. По качеству: качественные, высококачественные, особовысококачественные. Отметим , что стали, обыкновенного качества могут быть только углеродистыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качественными. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства сталей: - хром и кремний - ↑ твердость, прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость ( при содержании в стали хрома более 12 %, сталь становится нержавеющей). - никель и марганец - ↑ прочность, не снижая пластичности. - вольфрам и молибден - ↓ величину зерна, улучшают режущие свойства стали. Легирующие элементы влияют на положение точек диаграммы железо –цементит. - различают л.э – никель, марганец, медь , расширяющие γ – область, т.е устойчивость аустенита увеличивается и стали вплоть до комнатной температуры могут иметь структуру аустенита- такие стали называют сталями аустенитного класса. - сужающие γ – область - хром, ванадий, вольфрам, молибден, кремний, титан - и сталь вплоть до температур плавления остается ферритной. Карбидообразующие л.э. – это Cr W V Mo Ti и др. – они могут растворяться в цементите (Fе Ме)3С или образовывать самостоятельные карбиды Cr 23С6, VС, TiС… Карбиды л.э. имеют более высокую твердость, чем карбид железа Fе 3С . ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ К этому типу относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием углерода до 0,25% , также углеродистые (до 0,25% углерода). Примеры: сталь15, 20, 25, 15Г , 20Г, 20Х, 15Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА… После цементации и последующей закалки с низким отпуском достигается высокая поверхностная твердость и прочность при мягкой вязкой сердцевине. Применяется для деталей работающих на износ(высокая твердость поверхности), испытывающих ударные и переменные нагрузки (вязкая сердцевина): кулачки, шестерни, поршневые кольца… УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ Это средне- и низколегированные стали с содержанием углерода 0,3 – 0,5 %, а также углеродистые с таким же интервалом по углероду. Их подвергают улучшению - закалка + высокий отпуск (500-600оС, структура - сорбит). После такой обработки они обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью и вязкостью (лучший набор свойств). Применяют для деталей, работаюших в сложных напряженных условиях ( противостоят переменным и ударным нагрузкам). Примеры: сталь 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА… ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500МПа (150кгс/мм2). Применяются в машино-, ракето-, самолетостроении. Такой высокий уровень прочности можно получить: 1). В среднеуглеродистых легированных сталях, применяя закалку с низким отпуском. Примеры: 30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА, 40ХН2МА… 2). А также высокая прочность может быть получена за счет термомеханической обработки. Это совмещение пластической деформации (например ковка) стали , нагретой до аустенитного состояния, с ее последующей закалкой и далее отпуск (при деформации в аустенитной области происходит измельчение аустенитного зерна и последующей закалкой фиксируется тонкоигольчатый мартенсит, что и дает выигрыш в характеристиках прочности). 3). Третий путь - это применение мартенсито-стареющих сталей . Пример:03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 04Х11Н9М2Д2ТЮ… Это высоколегированные безуглеродистые сплавы (углерода не более 0,03%) сплавы железа с никелем (в пределах 8-25%), содержащие также кобальт, молибден, титан, алюминий, хром , медь. При проведении закалки (охлаждение возможно на воздухе) фиксируется железоникелевый мартенсит, имеющий высокую пластичность (это объясняется тем, что это перенасыщенный твердый раствор замещения, а не внедрения, как в мартенсите углеродистых сталей). Прочность после закалки в районе 900-1100 МПа . После закалки проводят формообразующие операции – давлением, резанием (пластичность хорошая, а прочность не очень высокая). Упрочнение происходит при старении - это термообработка, заключающаяся в выдержке при температуре 480-520 оС, при старении происходит выделение из мартенсита мелкодисперсных интерметаллидных фаз (интер с латинского – «между», т.е. соединения металл- металл) : NiAl , Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo . После старения прочность повышается до высоких значений - 2400МПа. Механизм упрочнения объясняется торможением дислокаций мелкими интерметаллидными частицами, выделившимися из пересыщенного твердого раствора. РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов, пружин, рессор. Эти стали должны обладать: высоким пределом упругости и выносливостью (многократность нагружения) при достаточной пластичности и вязкости . (Вспомним: предел упругости- это напряжение, при котором относительное остаточное удлинение составляет очень малые значения (сотые, тысячные доли %); первое требование к пружинам – высокий предел упругости, т.к. пружины должны деформироваться упруго, пластическая (остаточная )деформация не допускается.) Эти свойства достигаются после термообработки, заключающейся в закалке и последующем среднем отпуске. В качестве рессорно-пружинных сталей применяют углеродистые стали с повышенным содержанием углерода 0,5-0,8%, а для ответственных деталей – легированные стали (углерод в тех же пределах). У легированных помимо лучших показателей прочности, прокаливаемости, выносливости (сопротивление усталости) , увеличивается релаксационная стойкость (релаксация – ослабление) . В процессе работы пружин часть упругой деформации переходит в пластическую (остаточную), поэтому пружины с течением времени теряют свои упругие свойства. Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, более надежны, следовательно применяют для более ответственных деталей. Наружные дефекты на поверхности пружин являются концентраторами напряжений и могут стать причиной образования усталостных трещин. Поэтому поверхность пружин д.быть без загрязнений, плен,, микротрещин… Примеры: сталь 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 60С2ХА, 50ХФА, 60С2Н2А… Свойства стали 60С2 после т/о (закалка с 870 оС в масло, отпуск - 470 оС ) : 42-48 НRС, σв (предел прочности) ~ 1300МПа, δ (относительное удлинение) ~ 6 %, φ (относительное сужение) ~ 25 %. ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ Шарикоподшипниковые стали предназначены для изготовления колец, шариков, роликов подшипников . Сталь должна иметь высокие : твердость, износостойкость, сопротивляемость контактной усталости (контактная выносливость). Этим требованиям удовлетворяют высокоуглеродистые (0,95- 1,15 % углерода) хромистые стали высокого качества, чистые по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности. Рис. 23 Вредное влияние неметаллических включений и карбидной неоднородности в шарикоподшипниковых сталях . Рисунок на доске. У шарикоподшипниковых особая маркировка :ШХ4, ШХ15, ШХ15С2. Ш- шарикоподшипниковая, Х – хромистая, цифра – содержание хрома в десятых долях процента (сравни: в обычной маркировке легированных , цифры после букв - процент легирующего элемента в целых процентах) ШХ4 - шарикоподшипниковая хромистая сталь , содержание углерода ~ 1% (в маркировке % углерода не обозначен, но мы их обозначили как высокоуглеродистые ), хрома ~0,4 %; ШХ15 - углерод ~ 1 %, хрома ~ 1,5 %. Термообработка - закалка + низкий отпуск – дает структуру Мотп (мартенсит отпуска) с высокой твердостью 62-65 НRС , следовательно и износостойкость высокая. Строительные стали, содержат малые количества углерода (0,1— 0,3%). Это объясняется тем, что детали строительных конструкций обычно соединяются сваркой. Низкое, содержание углерода обесп)ечивает хорошую свариваемость. В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 и Ст3, имеющие предел текучести б0,2 = 240 МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1,5% Мn и 0,7% Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, I4ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия и ниобия (до 0,1%) повышает предел текучести до 450 МПа за счет уменьшения величины зерна. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, I7Г2АФБ. Приведенные стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Инструментальные материалы подразделяются на: - материалы для режущего инструмента; для измерительного инструмента; штамповые стали ( штампы для обработки металлов давлением); МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕТА Основные требования к материалам для режущего инструмента: - высокая твердость и износостойкость; достаточная прочность и вязкость; теплостойкость; Теплостойкость –(красностойкость) – способность сохранять высокую твердость, а следовательно и и режущую способность при продолжительном нагреве. В процессе работы инструмент нагревается до высоких температур ( чем выше скорость резания, чем тверже обрабатываемый материал, тем больше силы трения, тем выше температура нагрева режущей кромки). Нагрев в процессе резания можно сравнить с нагревами при отпуске: окончательная низкий средний высокий термообработка для отпуск отпуск отпуск инструмента ~ 200 оС ~ 400 оС ~ 600 оС Закалка + низкий отпуск Структура – Мартенсит отп. Структура – М отп. Троостит отп. Сорбит отп. Высокие твердость и прочность Высокие твердость и прочность твердость и прочность твердость и Низкие пластичность, вязкость Низкие пластичность, вязкость снижаются прочность еще больше снижаются Т.е. в процессе работы, инструмент нагреваясь теряет свою твердость, а следовательно и режущую способность (Чем выше температура отпуска, тем ниже твердость и прочность. Для инструмента после закалки проводят низкий отпуск, чтобы получить мах твердость и прочность. А если режущая кромка при работе нагреется до температур превышающих температуру низкого отпуска, то чем выше нагрев, тем меньше будет твердость инструмента). Ниже дана классификация материалов для режущего инструмента с значениями теплостойкости Наименование Теплостойкость, оС Углеродистые инструментальные стали 200 Легированные инструментальные стали 260 Быстрорежущие стали 550-650 Твердые сплавы 800-1000 УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ Содержат 0,7-1,35 % углерода. Маркируются буквой «У», далее - число обозначает содержание углерода в десятых долях процента : У7(У7А) … У13(У13А) Пример : У7А – углеродистая инструментальная качественная сталь, 0,7 % углерода. Инструмент ударного действия Сверла, метчики, фрезы напильники, инструмент по дереву граверный инструмент У7,У8 У9- У12 У13 →→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→ ↑ % углерода , ↑ твердость и прочность, ↓ ударная вязкость, пластичность Для снижения твердости все инструментальные стали перед формообразующими операциями подвергают отжигу. После сфероидизирующего отжига цементит перлита приобретает зернистую форму, твердость которого меньше твердости пластинчатого перлита. Окончательная термообработка (т.е. обработка, придающая эксплуатационные свойства инструменту) заключается в закалке с низким отпуском. Схема, поясняющая предварительную и окончательную термообработку инструмента: Заготовка → предварительная т/о → механическая обработка → окончательная т/о У9 сфероидизирующий отжиг придание формы инструменту закалка + низкий отпуск Температура отпуска выбирается в зависимости от твердости, необходимой для инструмента. У7,У8 - температура отпуска 280-300 оС НRС 56-58 (но выше ударная вязкость); У9 –У13 - температура отпуска 150-200 оС НRС 62-64. Преимущества углеродистых сталей : высокая твердость, дешевизна. Недостатки : из-за низкой теплостойкости (до 200 оС ) и прокаливаемости ( у углеродистых ~ 10мм) применяют для изготовления инструментов небольших размеров и для резания материалов с низкой твердостью. ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ. Содержание углерода 0,9-1,4 %, легирующие элементы : хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний… Твердость и износостойкость примерно как у углеродистых и определяется высоким содержанием углерода. Легированием увеличивают прокаливаемость, повышают прочность и вязкость. При окончательной термообработке закалку (8000-850 оС) проводят в масло, при этом уменьшается склонность к короблению и образованию закалочных трещин. Далее проводят низкий отпуск. Маркировка – как и для углеродистых - % углерода в десятых долях; при отсутствии цифры впереди марки – содержание углерода близко к 1 % или больше 1%.Цифры после букв – содержание легирующих элементов в целых единицах (как и в конструкционных), при отсутствии цифры л.э.~ 1%. Пример: 9ХС – инструментальная легированная качественная сталь, содержание углерода - 0,9%, хрома и кремния ~ 1%. ХВГ - инструментальная легированная качественная сталь, содержание углерода ~ 1%, хрома, вольфрама, марганца ~ 1%. Из-за низкой теплостойкости, легированные имеют практически одинаковые с углеродистыми эксплуатационные свойства. Т.е. легированные также применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200-260 оС. Но в отличие от углеродистых, из легированных можно изготавливать инструмент больших размеров (прокаливаемость больше) и более сложной формы (закалка в масле обеспечивает меньшие напряжения). БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ Такое название стали получили за свои свойства. Вследствие высоко теплостойкости 550-650 оС, изготовленные из них инструменты могут работать с высокими скоростями резания. Быстрорежущие сочетают высокую теплостойкость с высокой твердостью (68-70НRС) . Теплостойкость создается специальным легированием сильными карбидообразующими элементами: W , V, Mo, Cr ;с последующим применением специальной термообработки. Маркировка: Р18, Р5М5, Р9К5, Р12Ф3 - в начале маркировки буква Р ( «рапид» - быстрый); цифра за буквой Р показывает содержание основного легирующего элемента вольфрама в целых процентах, цифры после других букв – содержание других легирующих в процентах. . Во всех быстрорезах присутствует хром ~ 4%, но его содержание в марке не указывают. Не указывают также молибден – при содержании до 1% и ванадия ~ до 2%. Содержание углерода во всех быстрорезах в районе 1%. Р18 – инструментальная быстрорежущая сталь, содержание углерода до 1%, W -18%, Cr -4%, не более 1% Мо, не более 2% V. Р6М5 – инструмент. Быстрореж. сталь, содержание углерода до 1%, W -6 %, Мо – 5%,Cr -4%, не более 2% V. Быстрорежущие – это стали ледебуритного класса (легирующие элементы смещают эвтектику (4,3 % С) влево и в стали с содержанием 1% углерода появляется эвтектика – ледебурит). Таким образом после литья быстрорежущие стали имеют в структуре ледебурит - механическая смесь Аустенит + Карбиды первичные (очень крупные). Измельчение первичных карбидов происходит при последующей горячей деформации. Высокие эксплуатационные свойства получают после закалки и 3-х кратного отпуска: Рис.24 Термообработка быстрорежущей стали. Учебник, стр. 147, рис.14.1., а). При закалке быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур (1290 о С) – для полного растворения карбидов в аустените, чтобы получить высоколегированный мартенсит и обеспечить высокую теплостойкость. Необходимость ступенчатого прогрева до достижения температуры закалки вызвана низкой теплопроводностью быстрорежущей стали. Структура после закалки – Мартенсит закалки + карбиды + Аустенит остат. (до 40%),твердость ~ НRС62. Наличие Аустенита остаточного ухудшает режущие свойства (имеет меньшую твердость). Для снижения Аустенита остаточного после закалки применяют 3-х кратный отпуск при 560 оС. При этом Аост. превращается в Мартенсит отп. И твердость увеличивается до 68-70НRС. Структура после закалки и 3-х кратного отпуска – Мотп. + карбиды +небольшое количество Аост. Инструмент из быстрорежущих сталей : резцы, сверла, протяжки, метчики… Часто из дорогостоящей быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть, а «державку» - из углеродистой. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ В качестве материалов для инструментов используют твердые сплавы, так называемую металлокерамику, состоящую из твердых тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала (Та) и связующей фазы. Их изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов(WC, TiC, TaC) смешивают с порошком кобальта (Со играет роль связки), прессуют , далее спекают при температуре ~ 1500 оС. При этой температуре кобальт плавится и связывает частички карбидов. После охлаждения получается плотный материал, состоящий на 80-95 % из карбидов (остальное – связка). Твердые сплавы имеют очень высокую твердость 74-76 НRС при достаточно высокой прочности, отличаются высокой износостойкостью и теплостойкостью 800-1000 оС. Основные твердые сплавы: -группа ВК (WC +Со) - ВК3, ВК6, ВК25 – число после буквы К указывает процент кобальта, остальное карбид WC. Чем больше в сплаве Со –связки, тем выше прочность, но ниже твердость. - группа ТК( WC+ TiC + Со) – Т30К6 – твердый сплав, содержащий 30% TiC, 6% Со, остальное (64%) - WC. -группа ТТК ( WC+ TiC + ТаС + Со) – ТТ7К12 - сумма карбидов титана и тантала составляет 7%, кобальта 12%, остальное карбид вольфрама. Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают рабочие части резцов, сверл, фрез… По эксплуатационным свойствам они превосходят быстрорезы и применяются для резания с высокими скоростями. СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость которого(10000НV) ~ в 6 раз больше твердости карбида вольфрама (1700НV) и ~ в 8 раз больше твердости быстрорежущей стали (1300НV). Основное количество алмазов (и природных и синтетических) чаще используют в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента. Чаще это шлифовальные круги для обработки особо твердых металлов и горных пород. Необходимо отметить, что у алмаза высокая адгезия (прилипание) к железу, что является причиной низкой износостойкости при точении сталей и чугунов. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, пластмассу, керамику – при этом обеспечивается хорошая шероховатость поверхности. СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА Применяемые марки : У12, Х, ХВГ, Х9… Для измерительного инструмента огромное значение имеет постоянство формы и размеров в течение срока службы инструмента. При термообработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации Мартенсита и Аустенита ост., чтобы в процессе работы не происходило превращение Аост. в М и не изменялась тетрагональность (искаженность ) решетки Мартенсита, а следовательно и размеров. Это достигается соответствующим режимом термообработки : закалка + низкий отпуск с большой выдержкой - 12-50часов. (при большой выдержке полностью проходят все превращения и это дает стабильность размеров). Плоские инструменты – шаблоны, скобы, линейки изготавливают из низкоуглеродистых сталей (сталь15,20) - после цементации их подвергают закалке с низким отпуском, также с длительной выдержкой. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 1 ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ С ВЫСОКИМИ ЛИТЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ Важнейшие свойства для получения качественных отливок : хорошая жидкотекучесть (способность заполнять литейную форму); низкая усадка (усадка при затвердевании обусловлена разностью объемов металла в жидком и твердом состояниях); малая склонность к образованию дефектов (горячих и холодных трещин, пористости, ликвации – неоднородности по химическому составу); Литейные свойства сплава тем выше, чем меньше температурный интервал кристаллизации. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение. Из железоуглеродистых - лучшие литейные свойства имеют чугуны (серые СЧ , высокопрочные ВЧ, ковкие КЧ). 80% по общей массе отливок изготавливают из чугуна. Стали для отливок в конце маркировки имеют букву Л: 40ХЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ 2 СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СВАРИВАЕМОСТЬЮ Свариваемость – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом.. Большинство соединений получают сваркой плавлением. При этом основной металл в зоне образования соединения плавится , образуя жидкую ванну. А близлежащие участки нагреваются до высоких температур. После нагрева следует быстрое охлаждение (источник тепла – электрод или газовая горелка перемещаются), т.е. возникает своеобразная подкалка, приводящая к образованию закалочных структур, что приводит к большому количеству дефектов (вспомним , структура закалки – мартенсит характеризуется высокими внутренними напряжениями, твердостью и прочностью, но низкими вязкостью и пластичностью). Свариваемость стали тем лучше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов, причем влияние углерода является определяющим. Хорошо свариваются стали , содержащие до 0,25 % углерода (Сm1- Сm4, сталь 05, 08, 10, 15, 20, 25) и низколегированные (09Г2, 09Г2С, !4Г2, !5ГФ, !6ГС). При сварке высоколегированных сталей требуются специальные приемы (снижение скорости охлаждения, применение защитных атмосфер, последующая термообработка ). 3 СТАЛИ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ Связь между обрабатываемостью резанием и механическими свойствами неоднозначна. С одной стороны, с увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала (заготовки), возрастают усилия резания, увеличивается терние и увеличивается температура нагрева инструмента, что вызывает разупрочнение режущей кромки инструмента . С другой стороны, обработка слишком пластичных сталей также затруднена, так как образуется сплошная трудноломающаяся стружка, которая, непрерывно скользя по передней поверхности инструмента, нагревает и интенсивно изнашивает инструмент. Для улучшения обрабатываемости резанием, применяют: 1). Для твердых материалов – отжиг и нормализацию - для снижения твердости и прочности заготовок; 2). Мягкие материалы перед резанием подвергают пластической деформации в холодном состоянии(например холодная штамповка) - при такой обработке происходит наклеп – возрастают прочность и твердость материала. С увеличением твердости материала стружка становится сыпучей. 3). Более эффективны металлургические процессы – введение в стали добавок серы S, свинца Рb, селена Sе. Стали с этими добавками называют автоматными (т.е. их можно обрабатывать на станках- автоматах, с высокими скоростями) . Добавки (все они мягкие) создают как бы внутреннюю смазку, которая уменьшает трение между инструментом , заготовкой и стружкой. Маркировка: Впереди стоит буква А – автоматная , далее число указывает содержание углерода с сотых долях процента, при добавке свинца - стоит буква С, селена –Е, при добавке серы – буква отсутствует. А12 - автоматная сталь, содержание углерода 0,12%, с повышенным содержанием серы ( до 0,2%), вспомните: как вредная примесь - ее содержание оговаривается в сотых долях процента. АС14- автоматная сталь, содержание углерода 0,14%, содержит свинец (до 0,3%). А35Е - автоматная сталь, содержание углерода 0,35%, содержит селен (десятые доли процента). Автоматные стали предназначены для массового производства деталей на станках – автоматах: болты, винты, гайки… Поверхность деталей получается чистая и ровная. КОРРОЗИЯ Коррозией называется разрушение металла под действием агрессивной внешней среды в результате ее химического или электрохимического воздействия. Различают химическую коррозию, обусловленную воздействием на металл сухих газов и неэлектролитов (например, нефтепродуктов) и электрохимическую, возникающую под действием электролитов или влажного воздуха. По характеру коррозионного разрушения различают сплошную и местную коррозию. Сплошная коррозия захватывает всю поверхность металла. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны. В зависимости от степени локализации различают пятнистую, язвенную, точечную, межкристаллитную и др. виды местной коррозии. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ Самый надежный способ защиты от коррозии - применение коррозионно-стойких сталей. Они обладают стойкостью против электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, солевой, кислотной). Это высоколегированные стали, содержание ХРОМА в них не менее 12%, что обеспечивает образование на поверхности металла пассивирующей защитной пленкиСr2О3. Углерод в коррозионно–стойких сталях является нежелательным, так как он связывает хром в карбиды, тем самым обедняя раствор хромом. По структуре после нормализации конструкционные разделяют на классы: - мартенситный класс ,например, 40Х13 (характеризуется высокой твердостью); - мартенсито-ферритный - 12Х13 (повышенная пластичность); - ферритный – 12Х17(применяют для химического и пищевого оборудования); - аустенито-ферритный – 08Х21Н6М5Т (оптимальный комплекс свойств); -аустенито-мартенситный – 07Х16Н6(высокая прочность); - аустенитный класс; Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса нашли широкое применение в промышленности. Они содержат большое количество хрома и никеля (никель- аустенитообразующий элемент, сильно понижающий температуру γ → α – превращения, отсюда и название – аустенитный класс). Преимуществом аустенитных сталей, кроме коррозионной стойкости, являются высокая пластичность и вязкость; обладают хорошими технологическими свойствами (хорошая свариваемость, обработка давлением, литье, хуже – обрабатываемость резанием). Термообработка : закалка 1050-1150 0 С, вода(для тонких сечений –воздух). После закалки- максимальная пластичность и вязкость, невысокие прочность и твердость. Для повышения прочности, сталь пластически деформируют в холодном состоянии (наклеп). Наиболее ярким представителем является сталь 12Х18Н10Т. Введение титана предупреждает межкристаллитную коррозию(титан связывает углерод в карбиды титана и для образования карбида хрома углерода не остается, т.е. хром пойдет на образование защитной пленки). Другие методы защиты от коррозии. Распространенным средством защиты от коррозии является нанесение на защищаемый металл раз личных покрытий. Металлические покрытия наносятся различными способами. При погружении в расплавленный металл поверхность изделия покрывается тонким и плотным слоем, затвердевающим после извлечения изделия. Этот способ применяется для нанесения покрытий цинком, оловом, свинцом и алюминием, температура плавления, которых ниже, чем у защищаемого металла. При диффузионной металлизации изделие засыпают порошками алюминия, хрома, цинка и выдерживают при высокой температуре. При напылении поверхность изделия покрывают слоем расплавленного металла (цинка, алюминия, кадмия и др.) с помощью воздушной струи. При плакировании защищаемый металл подвергают совместной прокатке с защищающим (алюминием, титаном, нержавеющей сталью). Гальванический способ нанесения покрытий основан на осаждении под действием электрического тока тон кого слоя защитного металла (хрома, никеля, меди, кадмия) при погружений защищаемою изделия в раствор электролита. Неметаллические покрытия подразделяются на лакокрасочные и эмалевые, смоляные, покрытия пленочными полимерными мате риалами, резиной, смазочными материалами, керамические покрытия и др. Покрытия, получаемые химической и электрохимической обработкой, превращают поверхностный слой изделия в химическое соединение, образующее сплошную защитную пленку. Наибольшее распространение имеют оксидные и фосфатные защитные пленки. Протекторная защита основана на подсоединении к защищаемому изделию протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. В агрессивной среде протектор будет являться анодом, и разрушаться, а защищаемое изделие - катодом и разрушаться не будет. Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добавки, называемые ингибиторами коррозии. Они значительно снижают скорость коррозии. Условием использования ингибиторов является эксплуатация изделия в замкнутой среде постоянного состава ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ. ЖАРОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ. Химическая коррозия развивается в сухих газах (или жидких неэлектролитах). Чаще происходит в сухом воздухе (т.е. при высоких температурах), углекислом газе, а также имеют место сернистая и сероводородная коррозия. Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Чем выше температура рабочей среды, тем активнее идет процесс образования окалины (слой оксида металла). Но сама образовавшаяся окалина может препятствовать дальнейшему окислению металла. Для этого оксидная пленка должна быть ПЛОТНОЙ - без трещин и пор. Сплавы на основе железа при температуре выше 5700 С интенсивно окисляются с образованием хрупкой окалины. Для увеличения жаростойкости, в сталь вводят элементы, которые образуют с кислородом плотные оксидные пленки. Это ХРОМ, а также кремний и алюминий. Чем выше содержание хрома, тем выше температура применения стали и больше срок эксплуатации. Сталь 15Х5 – жаростойка до 650 0 С; 12Х17 - до 900 0 С; 15Х28 - до 1100-1150 0 С. (стали 12Х17 и 15Х28 являются также и нержавеющими, т.е обладают стойкостью против электрохимической коррозии). Высокой жаростойкостью обладают СПЛАВЫ на НИКЕЛЕВОЙ основе. Жаростойкие материалы не предназначены для высоких нагрузок. Из них изготавливают : клапаны авто-тракторо-дизельных двигателей, теплообменники, малонагруженные детали печей. ЖАРОВЫЕ ТРУБЫ камеры сгорания ГТД работают в среде газов, вызывающих сильную коррозию при высоких температурах, т.е. должны быть жаростойки. Материалы для жаровых труб : ХН75МВТЮ (ЭИ602) - Трабочая – 950 0 С: ХН78Т (ЭИ435) - Трабочая 1000 0 С Оба сплава являются также и жаропрочными. ЖАРОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ К жаропрочным относят материалы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Фактор времени необходимо учитывать, т. к. при длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Если нагрузить металл при высокой температуре постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести, и оставить под нагрузкой длительное время, то металл в течение всего времени будет деформироваться - это явление называется ПОЛЗУЧЕСТЬЮ. Ползучесть может привести к разрушению. Для оценки жаропрочности разработаны специальные критерии: предел ползучести, предел длительной прочности. Предел ползучести - это напряжение, при котором материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре, например: σ1/100000 = 100МПа,означает, что при напряжении 100МПа за 100000 часов при 550 0 С, в материале появится пластическая деформация 1%. ПРЕДЕЛ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ характеризует сопротивление разрушению, σ10000 = 130МПа – при 6000 С материал гарантированно выдержит напряжение 130 МПа в течение 10000 ч. Основные пути ПОВЫШЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОСТИ: - легирование твердого раствора тугоплавкими металлами (молибден, вольфрам, хром, ванадий…); - наличие в структуре карбидных и интерметаллидных фаз (Ni 3 Ti, Ni 3 Al…); - увеличение размеров зерна ( при высоких температурах деформация (скольжение) идет именно по границам зерен и естественно, чем крупнее зерно, тем протяженность границ меньше, тем труднее деформация). Ниже 450 0 С вполне пригодны конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными. При 450-700 0 С используют жаропрочные стали: 15Х5М - жаропрочна до 6000 С, 13Х11Н2В2МФ – жаропрочна до 6000 С; 10Х11Н20Т3Р – до 7000 С Детали, работающие при температурах 700-900 0 С и выше, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта и применяют для изготовления лопаток, дисков и других ответственных деталей ГТД. ХН77ТЮР (ЭИ437Б) ХН78Т(ЭИ435) ЖС6К, ЖС6У, ЖС26… . ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ Материалы с малой плотностью Материалы с малой плотностью (легкие) широко используются в авиа- ракетной и космической технике, а также в авто- судостроении и др. Их применение дает возможность снизить массу и за счет этого увеличить грузоподъемность летательных аппаратов. Основными легкими конструкционными материалами являются: пластмассы, цветные металлы – Mg Be Al Ti и сплавы на их основе. Алюминий и его сплавы Помимо небольшой плотности (2,7 г/см 3 - это примерно в 3 раза меньше плотности железа), алюминий характеризуется высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью. Температура плавления у алюминия довольно низкая – 660 о С. Механические свойства технического алюминия сравнительно невысоки; лучшие свойства у сплавов на его основе. Маркировка алюминия : А0 – 99,0 % Al … А999 - 99,999 % Al. Алюминиевые сплавы Деформируемые (при изготовлении деталей применяют методы обработки давлением) Литейные Не упрочняемые термообработкой Упрочняемые термообработкой * Наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы (предназначены для изготовления фасонных отливок) - это силумины - сплавы системы Al– Si (силициум, отсюда и название). Маркировка : АЛ2…АЛ20 Имеют невысокую прочность ,но высокую пластичность. - АМц - сплав системы алюминий - марганец (Мп – до1,5 %) - АМг2 - сплав алюминия с магнием (Мg ~ 2%). Прочность сплавов может быть повышена путем холодной деформации (нагартовкой). Применяют для слабонагруженных деталей и сварных конструкций. Основной легирующий элемент алюминиевых сплавов упрочняемых т/о – это медь - Дюралюмины Д16, Д18 (Al- Си- Mg) - Высокопрочные алюминиевые сплавы - имеют более высокие прочностные характеристики, маркируются В95, В96; применяются , например для обшивки тяжелых самолетов. - Ковочные алюминиевые сплавы, например АК6 – широко применяется для изготовления средненагруженных деталей сложной формы, изготавливаемых методом ковки или штамповки. * Для повышения прочности упрочняемые т/о алюминиевые сплавы подвергают закалке и последующему старению (дисперсионному твердению. При этом в отличие от сталей мах прочность сплава достигается старением, а не закалкой. Магний и его сплавы Магний очень легкий металл, его плотность - 1,74 г/см 3. Температура плавления, как и у алюминия – невысокая – 650о С. Магний химически очень активен, вплоть до самовозгорания на воздухе, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с магнием (чаще применяют покрывные флюсы). Магний имеет невысокие механические свойства, лучшие свойства – у его сплавов. Основными являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием (Zr) . Сплавы упрочняют закалкой с последующим старением. Главным преимуществом магниевых сплавов является их высокая удельная прочность (прочность, отнесенная к удельному весу). Поэтому магний используется в самолето- и ракетостроении. Из-за низкой сопротивляемости коррозии необходима защита оксидированием (создание на поверхности изделий защитных оксидных пленок) с последующим лакокрасочным покрытием . Деформируемые магниевые сплавы : МА1, МА8, МА9, МА12. Литейные магниевые сплавы : МЛ3, МЛ5, МЛ19. Материалы с высоко удельной прочностью (прочность, отнесенная к удельному весу) Титан и его сплавы К таким материалам, прежде всего относится титан и его сплавы (а также в эту группу входит бериллий (Ве), но он относится к числу редких металлов, а следовательно и очень дорогих). Тi - металл серебристо-белого цвета, плотность его составляет 4,5 г/см3 (тяжелее алюминия, но чуть-ли не в двое легче железа); Тплавления - 1672о С. Преимущества титановых сплавов: - малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность; - сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью; - высокая коррозионная стойкость; -хорошая жаропрочность (может работать при температурах порядка 600-700 о С). Недостаток – высокая химическая активность с газами при повышенных температурах (поэтому при технологических операциях необходимо применение вакуума или защитной атмосферы); к недостаткам также относится плохая обрабатываемость резанием Основной легирующий элемент титановых сплавов – это алюминий; он увеличивает прочность и жаропрочность, хотя и снижает пластичность. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом (холодной деформацией), термообработкой. В промышленности применяют: - α-сплавы – ВТ5, ОТ4, ОТ4-1, ВТ20… - α+β –сплавы – ВТ3-1 (широко распространенная марка), ВТ6, ВТ8, ВТ9…Двухфазные α+β –сплавы обладают наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств; упрочняются термообработкой (закалка + старение), удовлетворительно обрабатываются резанием. У литейных титановых сплавов в конце маркировки стоит буква Л: ВТ5Л, ВТ3-1Л. Области применения:- авиа-, ракетостроение – корпуса, лопатки, диски, крепеж; химическая промышленность; судостроение (гребные винты, обшивка); криогенная техника(высокая ударная вязкость сохр-ся до минус253 о С). Медь и ее сплавы Медь – пластичный металл красновато-розового цвета, относится к тяжелым металлам (плотность – 8,94 г/см 3,т.е. тяжелее железа (7,87)). Температура плавления составляет 1083 о С. Медь обладает хорошей устойчивостью против коррозии. Характерным свойством является ее высокая электропроводность, поэтому широко применяется в электротехнике. Маркировка чистой меди : М00 … М4 (М00-99,99%Си, М4 – 99% Си) В качестве конструкционного материала медь применяется редко (низкие механические свойства). Повышение механических свойств достигается созданием сплавов: - латуни (Си + Zn)- медно-цинковые сплавы; - бронзы - все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. Латуни Латуни широко используются в приборостроении, машиностроении, в том числе химическом машиностроении. По способу изготовления различают латуни деформируемые и литейные. В маркировке медных сплавов заглавными буквами русского алфавита обозначают следующие легирующие элементы: О-олово,С – свинец, Ж- железо, Ф-фосфор, Мц –марганец, А –алюминий, Ц - цинк, Б-бериллий, Н–никель. Деформируемые латуни Литейные латуни буква буква цифра цифра буква цифра буква цифра Л62 - латунь , содержание Си -62%, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – латунь, остальное – Zn (38%); Zn – 23%. Аl -6%, Fе –3 %, Мп – 2%, ЛАЖ60-1-1 - латунь, содержание Си-60%, остальное - Си Аl – 1%, Fе – 1%, ост. – Zn Применение – прутки, трубы для судо- и приборостроения Бронзы Бронзы –это двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием,, кремнием и др. Различают деформируемые и литейные бронзы. Деформируемые Литейные буква буква цифра цифра буква цифра буква цифра Бр.АЖ 9-4 – бронза, БрО3Ц7С5Н1 – бронза, содержание содержание Аl – 9%, Fе – 4%, Sn -3%. Zn- 7%. Pb- 5%, Ni- 1%, остальное - Си остальное – Си. Оловянные бронзы (БрОЦС 4-4-2,5) обладают хорошими антифрикционными свойствами , поэтому широко используются для изготовления вкладышей, деталей подшипников. Алюминиевые бронзы (БрАЖМц 10-3-1,5)применяют для изготовления высокоответственных деталей типа шестерен, втулок, фланцев. Бериллиевая бронза (БрБ2) обладает высокой прочностью и упругостью; применяется для изготовления всевозможных пружин, пружинящих контактов приборов. Другие цветные металлы нашли меньшее применение в технике. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, хром, тантал, ниобий) и никель, а также их сплавы используются как жаропрочные. Сплавы легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца) используются в подшипниках скольжения (эти сплавы называются баббиты) и в качестве припоев для пайки металлов. Кроме того, значительная часть цинка расходуется на нанесение покрытий на металлические изделия, олова - на лужение консервной жести, свинца - на изготовление оболочек электрических кабелей, производство свинцовых аккумуляторов, емкостей для хранения радиоактивных материалов. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Композиционные материалы (КМ) по удельной прочности (удельная прочность – это прочность материала, отнесенная к его плотности), прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей. Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные ярко выраженной границей. Компонент, непрерывный в объеме КМ называется матрицей. Компонент , распределенный в матрице, чаще всего играет роль упрочнителей и называется наполнителем или арматурой. КМ подразделяются на волокнистые (упрочнитель- волокна , диаметр которых намного меньше размеров матрицы, а длина равна длине изделия), слоистые ( упрочнитель - в виде пластин), дисперсноупрочненные (содержат частицы, значительно меньшие по размеру, чем изделие). Упрочняющие компоненты (арматура, наполнитель) равномерно распределены в матрице. КМ, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называются изотропными. К ним относятся композиты, наполненные порошками, короткими волокнами, чешуйками. Материалы, свойства которых неодинаковы в различных направлениях, называются анизотропными. Это КМ с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, ткани, сеток и т.д. Армирующие элементы (чаще всего используют волокна) несут внешнюю нагрузку и должны обладать низкой плотностью, высокой прочностью, химической стойкостью и др. В качестве армирующего элемента используют углеродные, борные, стеклянные и органические волокна, волокна карбида кремния и др. в виде нитей, жгутов, лент, а также в виде сетки из проволоки. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств КМ, защищает арматуру (наполнитель) от механических повреждений и других воздействий среды. В зависимости от материала, матрицы подразделяются на металлические, полимерные или керамические. Для изготовления металлических матриц используют металлы с небольшой плотностью – алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, а также никель, служащий основным компонентом жаропрочных сплавов и кобальт. Упрочнение легких металлов и их сплавов высокопрочными волокнами позволяет создавать КМ с высокой удельной прочностью. Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si3Ni4 Al2O3) и углеродными волокнами. . Их применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб. В качестве полимерных матриц применяют эпоксидные, полиамидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. КМ на основе полимеров имеют низкую плотность, высокую коррозионную стойкость и др. положительные свойства. Однако для большинства КМ с неметаллической матрицей характерны низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при температурах выше 100-200о С. Упрочнителями служат углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент. В качестве керамических матриц используют материалы на основе оксидов (SiО2 , Al2O3 ZrО2 BeO2 ), боридов (TiB2, ZrB2) , карбидов (SiC, TiC). КМ с керамической матрицей обладают высокимитемпературой плавления, стойкостью к окислению, термоударам, прочностью при сжатии. Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка называются керметами. Наиболее распространенные керметы – это материалы на основе оксида алюминия и тугоплавких металлов. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молибдена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические волокна (керамические и углеродные). По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения – напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом . К твердофазным методам – прессование, прокатку, экструзию (выдавливание), ковку, сварку взрывом, волочение, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие листы (фольгу). При получении КМ осаждением – напылением, матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы.