Материаловедение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийский технологический институт (филиал) А.Н. Блазнов материаловедение Курс лекций Бийск 2010 Блазнов А.Н. Материаловедение: Курс лекций. Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 61 с. Рассмотрены свойства и строение материалов. Освещены вопросы построения и анализа диаграмм состояния сплавов, практические способы термообработки сталей, принципы маркировки и назначение основных конструкционных металлов и сплавов. Изложены основные подходы к выбору материала, отвечающего поставленным требованиям. Курс лекций предназначен для студентов специальностей 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий», 240901 «Биотехнология», 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция». Рассмотрен и одобрен на заседании кафедры Машины и аппараты химических и пищевых производств. Протокол № 4 от 21 января 2010 г. СОДЕРЖАНИЕ Модуль 1. Основные вопросы курса. Состав, структура и свойства материалов. 1.1 Введение. Цели и задачи дисциплины………………………………………………4 1.2 Свойства конструкционных материалов: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные …………………...……………………………….4 1.3 Кристаллическое строение металлов и сплавов, дефекты кристаллического строения……………………………………………...…………………………………….8 1.4 Методы изучения состава, структуры и свойств материалов………………….…13 1.5 Контрольные вопросы……………………………………………………………….14 Модуль 2. Диаграммы состояния сплавов………………………………………….16 2.1 Диаграммы состояния, методы их построения…………………………………….16 2.2 Диаграмма состояния системы железо-углерод (железо-цементит)……………..17 2.3 Анализ диаграммы состояния железо-цементит…………………………………..19 2.4 Контрольные вопросы……………………………………………………………….23 Модуль 3. Термическая и химико-термическая обработка сплавов……………25 3.1 Основные виды термической обработки сталей. Закалка, отпуск и отжиг……...25 3.2 Практические способы закалки……………………………………………………..38 3.3 Основные дефекты при термообработке и способы их устранения……………...40 3.3 Химико-термическая обработка – цементация, азотирование, диффузионная металлизация………………………………………………………………………………..43 3.4 Контрольные вопросы……………………………………………………………….43 Модуль 4. Классификация и маркировка сплавов. Назначение и характеристика материалов…………………………………………………………………………...45 4.1 Классификация, принципы маркировки и общее назначение стали……………..45 4.2 Классификация, принципы маркировки и назначение чугунов…………………..50 4.3 Классификация, маркировка и назначение цветных металлов и сплавов……….53 4.4 Контрольные вопросы……………………………………………………………….60 Модуль 1. Основные вопросы курса. Состав, структура и свойства материалов. 1.1 Ведение. Цели и задачи дисциплины. Главная задача материаловедения – научить человека грамотно выбирать материал для конкретных целей. В основу любого выбора материала закладываются свойства (требования, предъявляемые к данной детали). Свойства зависят от двух факторов: 1. Химический состав материала. 2. Внутреннее строение (структура) материала. Состав косвенным образом может влиять на структуру. Структура появляется в зависимости от способности обработки, которое выбирается в зависимости от состава материала. Т.о., способность обработки формулирует свойства (косвенно). Материаловедение – это наука, занимающаяся изучением состава и внутреннего строения материала, а также устанавливающая возможные способы обработки с целью изменения свойств. 1.2 Свойства конструкционных материалов: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные Основные свойства материалов: 1. физические – плотность, теплопроводность; 2. химические; 3. механические; 4. технологические; 5. эксплуатационные. Механические свойства. Проявляются только под действием механических напряжений. 1. Прочность (способность материала при действии статистических нагрузок не разрушаться, т.е. сохранять свою целостность). Два показателя: 1) предел прочности. σр, σсж [МПа], σи (кгс/мм2). 2) предел текучести. σт­ – истинный предел текучести; σ0,2 – условный предел текучести. 2. Пластичность – способность материала под действием внешней нагрузки изменять свои форму и размеры и оставлять их в таком состоянии после снятия внешней нагрузки. 1) относительное удлинение σ, %; 2) относительное сужение ψ. 3. Упругость – способность материала под действием внешних сил изменять свои размеры и формы и восстанавливать их до прежнего состояния после снятия нагрузки. 1) предел упругости σуп. 4. Ударная вязкость – разновидность прочности, способность материала не разрушаться под действием динамических ударных нагрузок. Ударная вязкость оценивается при динамических нагрузках (динамическая прочность). KCU МДж/м2 ((кгс·м)/см2) 5. Твердость (Н) – способность материала сопротивляться внедрению в него инородного тела. 1) Способ определения твердости по методу Бринелля (НВ). В испытуемую поверхность вдавливают шарик определенного диаметра D под определенной нагрузкой Р в течении определенного времени. С помощью микроскопа определяется d отпечатка по таблице – поверхность отпечатка. Отношение нагрузки к поверхности отпечатка – показатель твердости по Бринеллю. 2) Способ по Роквеллу (НRС). В испытуемый материал вдавливается алмазный конус или стальной шарик. Обычно вначале прикладывают 60 кг нагрузки, затем добавляют 90 кг. Перемещение конуса определяет твердость. Обычно двузначная цифра не более 90. Единица безразмерная, чем больше величина, тем выше твердость. 3 шкалы определения твердости: Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 600 Н). Применяют для особо твердых материалов, пределы измерений 70-85 НRA. Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н). Определяют твердость сравнительно мягких материалов, пределы измерений 25-100 НRВ. Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 1500 Н). Применяют для твердых материалов (закаленных сталей), пределы измерений 20-67 НRС. 3) Твердость по Виккерсу (НV). Вдавливается алмазная пирамида. Максимальная нагрузка 200 гр. С помощью микроскопа определяется диагональ отпечатка, по ней – поверхность отпечатка. Числа твердости по Виккерсу и Бриннелю для материалов с твердостью до 450 НВ, практически совпадают. 4) Метод Польди (для крупногабаритных деталей). НР, мм – определяют высоту отскакивания шариков. Для мягких материалов – метод Шора (поверхность царапается алмазной иглой, по ширине канавки определяют твердость) HSh, мм. Технологические свойства Проявляются только в процессе обработки. Механические свойства имеют жесткую числовую характеристику, а технологические свойства не имеют этой жесткой величины, оцениваются качественно. 1. Линейные свойства. 1) Жидкотекучесть – способность материала, находящегося в жидком состоянии, качественно заполнять полость линейной формы. Обычно жидкотекучесть оценивается методом прутковой пробы. Изготавливается линейная форма, полость которой – цилиндр. Канал диаметр 10 мм длиной 1м, через каждые 100мм делается выступ. Заливка производится до тех пор, пока материал не перестанет поступать в форму. Сколько делений зальется, такая степень жидкотекучести. t˚ заливки должна на 10% превышать t˚ плавления. Чем сложнее конфигурация отливки, тем выше должна быть жидкотекучесть. 2) Усадка – способность материала в процессе кристаллизации и последующего охлаждения уменьшаться в объеме. У реальных сплавов УС = 1…2,5%. Величина усадки оказывается очень сильное влияние на внутреннее термическое напряжение. Чем сложнее конфигурация отливки, чем менее податливой будет литейная форма, тем выше внутреннее напряжение, тем больше вероятность появления трещин. σр – растягивающее напряжение Пути предотвращения трещин: 1. заменить металл отливки. 2. заменить процесс литья. 3) Ликвация – способность материала в процессе кристаллизации создавать химическую неоднородность по сечению отливки. При кристаллизации сплава в первую очередь кристаллизуются элементы, имеющие наибольшую температуру плавления, в последнюю очередь – элементы с меньшей температурой плавления. Fe,C,Mn,Si,P,W.M0,Ni,Ti. В различных участках изделия химический состав будет отличаться. Ликвация – дефект отливки (исправимый) Все сплавы подвержены ликвации. Оценивается ликвация по специальным стандартным эталонам (по 10-ти бальной шкале), оценивается в баллах. При изготовлении отливок всегда следует выбирать такие сплавы, которые выдавали бы минимальную ликвацию. 2. Ковкость – это способность материала под действием внешних нагрузок пластически течь. Ковкостью характеризуются любой процесс обработки металла давлением (прокатка, штамповка) Ковкость прямо пропорциональна пластичности. Ковкость зависит от температуры материала. С повышением температуры ковкость увеличивается. 3. Свариваемость – способность материала создавать с другим материалом или другим куском того же самого материала прочное неразъемное соединение методом диффузии. Свариваемость оценивается. 1) пределом прочности при растяжении сварного соединения (чем выше предел, тем выше свариваемость. 2) По величине ударной вязкости (чем выше ударная вязкость, тем выше свариваемость) 3) Может оцениваться специальными испытателями на загиб. 4) Специальными способами: рентгеноструктурный анализ, металлографический. 4. Обрабатываемость резанием -способность материала легко отделять стружку со своей поверхности при внедрении в нее клина. Оценивается стойкостью инструмента, которым обрабатывается данный материал. За единицу берется обрабатываемость резанием среднеуглеродистой стали марки 45, остальные оцениваются относительно ее. 5. Закаливаемость – способность материала в результате термической обработке образовывать твердую структуру. Закаливаемость оценивается величиной твердости (чем выше твердость, тем выше закаливаемость). Стали с концентрацией углерода<0,3% закалку не принимают. 6. Прокаливаемость – способность материала после закалки создавать твердую структуру на определенную глубину. Оценивается в мм. Чем выше глубина, тем выше прокаливаемость. У некоторых сталей до 500 мм. Эксплуатационные свойства. Проявляются только в процессе длительной эксплуатации. Имеют жесткую числовую характеристику. 1. Износостойкость-способность материала сопротивляться истиранию. Износостойкость чаще всего оценивается величиной массы, потерянной с единицы поверхности за единицу времени. Износостойкость зависит от двух свойств: • Твердость. Чем выше твердость, тем выше износостойкость. • Коэффициент трения. Обратно пропорциональная зависимость. У бабитов-низкая твердость, но высокая износостойкость. 2. Жаростойкость – способность материала, находящегося при высоких температурах длительное время не покрываться окалиной (обладают все коррозионно-стойкие материалы). Оценивается толщиной окисной пленки. Чем тоньше слой, тем выше жаростойкость. 3. Жаропрочность – способность материала, находиться длительное время при высоких температурах под воздействием механических нагрузок не разрушаться. Оценивается. • Пределом длительной прочности. (при температуре t=7500C в течении 10000 часов работы предел прочности должен быть не < ) • Предел ползучести. (при постоянном напряжении в при t=7500 через 10000 часов работы степень деформации не должна превышать 0,2%) 4. Теплостойкость - способность материала сохранять свою высокую первоначальную твердость при повышенных температурах. Определяется только для оценки инструментальных материалов. Теплостойкость оценивается в 0С. Т=6500С – данный инструмент может сохранять свою высокую первоначальную твердость, свыше 6500С – твердость падает. 5. Выносливость – способность материала выдерживать значительное количество циклов знакопеременных нагрузок, не разрушаясь. • или или • Число циклов до момента разрушения детали. Базовое Предельная выносливость напрямую зависит от предельной упругости. 1.3 Кристаллическое строение металлов и сплавов Основные понятия по общей теории сплавов. В основном используются сплавы по двум причинам: 1. чистые металлы как правило имеют очень высокую стоимость, например чистое железо дороже золота. 2. все свойства чистых металлов как правило стабильны и неизменяемы. Сплав – сложное вещество, состоящее из 2-х или более компонентов, один из которых должен быть обязательно металлом и в целом обладающее характерными металлическими свойствами. Характерные металлические свойства: • Высокая пластичность. • Высокая тепло- и электропроводность. • Особые условия кристаллизации. NaCl- обладает низкой пластичностью. Fe3C- сплав. Na Cl Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Вокруг каждого иона вращаются электроны, принадлежащие к конкретному ядру. Прочность в таком материале обуславливается силами притяжения разноименных, разнополярных ионов. а – параметр кристаллической решетки. 1А=10-8 см. В реальных кристаллических материалах а=2…6 А=0,2…0,6 (нм) Можно сдвинуть одну часть кристаллов относительно другой на величину параметра а. Одноименные заряды отталкиваются. Достаточно сдвинуть неметаллический материал на величину, равную параметру кристаллической решетки, как тут же происходит разрушение материала. (материал имеет нулевую пластичность, абсолютно хрупкий.) Cu Zn В металлических системах электроны не принадлежат определенному ядру, хаотически перемещаются по всему объему. Связи образуются в результате: • Сил взаимного отталкивания между положительно заряженными ионами. • Сил взаимного притяжения между положительно заряженными ионами и отрицательно заряженными электронами. • Сил взаимодействия между относительно неподвижными стационарными ионами и электронами, которые перемещаются с очень высокими скоростями. Сдвинем одну сторону кристаллической решетки относительно другой. После сдвига изменится лишь форма куска, но сам принцип внутреннего строения не изменится. При дальнейшем сдвиге будет изменяться форма. Разрушение будет происходить лишь тогда, когда расстояние между соседними ионами будет превышает параметр а. Этим объясняется пластичность и высокая электропроводность. Любой сплав состоит из 2-х или нескольких химических элементов. Все химические элементы, введенные в состав сплава и принимающие участие в формировании структуры этого материала, получили название компонентов. По количеству компонентов сплавы могут быть двухкомпонентными, трехкомпонентными, многокомпонентными. Компоненты, взаимодействуя друг с другом при определенных температурах и определенных концентрациях, образуют фазы. Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей этой же системы поверхностью раздела. Фазы, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать структуры. Основные типы фаз и структур в реальных сплавах. Фазы: 1. однородная жидкость (все компоненты входящие в состав сплава, находятся в жидком состоянии) 2. чистый химический элемент. Бабины в твердом состоянии содержат 2 фазы: чистые компоненты свинец и сурьма. 3. химическое соединение (компоненты, взаимодействуя друг с другом, образуют новое вещество) 4. твердые растворы. (ионы одного компонента находятся в кристаллической решетке другого) 2,3,4 типы фаз взаимодействуя друг с другом, могут образовывать основной тип структуры (механические смеси) Основные типы связей компонентов в сплавах. 1. твердые растворы. 2. химические соединения. 3. механические смеси. Твердые растворы обладают максимальной пластичностью, минимальной твердостью. Химическое соединение обладает максимальной твердостью, но минимальной пластичностью. Динамическая прочность очень низкая. Механические смеси обладают максимальной прочностью. Типы связей определяют структуры, а структура-свойство сплава. Дефекты кристаллического строения Во время кристаллизации реальных металлов отдельные кристаллы не могут принять правильную форму. Эти кристаллы называют зернами или кристаллами, а строение металла - поликристаллическим (т.е. состоящем из большого числа кристаллов) или зернистым. Существующие технологии производства металлов не позволяют получить их идеальной чистоты, поэтому реальные металлы содержат примесные атомы. Любой металл, содержащий 99.9%, - химический чистый, 99.99% - высокочистый, 99.999% - сверхчистый. Атомы любых примесей по своим размерам и по своему строению резко отличаются от атомов основного компонента, поэтому силовое поле внутри реального металла и его строение сильно отличаются от теоретического. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения (дефекты) определяют в значительной степени свойства металлов. По геометрическим признакам дефекты подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Существование точечных и линейных дефектов было установлено с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа. Точечные дефекты малы в трех измерениях и размерами приближаются к точке. Виды этих дефектов приведены на рис. 6.1. Одним из распространенных дефектов является вакансия, т.е. место, не занятое атомом (дефект Шоттки). На место вакантного узла может перемещаться новый атом, а вакантное место - “дырка” образуется по соседству.  С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, так как атомы, расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности. Наличие вакансий в решетке сообщает атомам подвижность, т.е. позволяет им перемещаться в процессе самодиффузии и диффузии, и тем самым оказывает влияние на такие процессы, как старение, выделение вторичных фаз и т.п. Другими точечными дефектами являются дислоцированные атомы (дефект Френкеля), т.е. атомы собственного металла, вышедшие из узла решетки и занявшие место где-то в междоузлии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Концентрация таких дефектов невелика, потому что для их образования требуется существенная затрата энергии. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Смещение вокруг вакансии возникают в первых двух - трех слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий. В любом металле присутствуют чужеродные атомы примесей. Примесные атомы занимают в кристаллической решетке либо места основных атомов (замещение), либо внедряются внутрь ячейки (внедрение). Вокруг точечных дефектов нарушается правильность кристаллического строения, силовое поле атомов во всех направлениях. Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они могут достигать длины кристалла (зерна). К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. С позиции теории дислокаций рассматривается прочность, фазовые и структурные превращения. Дислокацией называется линейное несовершенство, образующее внутри кристалла зону сдвига. К основным видам дислокаций относятся краевые и винтовые (рис. 6.2). Краевая дислокация образуется, если внутри кристалла появляется лишняя полуплоскость атомов, которая называется экстраплоскостью (рис. 6.3). Ее край 1-1 создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией. Условно принято, что дислокация положительна, если она находится в верхней части кристалла и обозначается знаком ^ , и отрицательна, если находится в нижней части (знак T ). Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются. Под воздействием напряжения краевая дислокация может перемещаться по кристаллу (по плоскости сдвига), пока не достигнет границы зерна (блока). При этом образуется ступенька величиной в одно межатомное расстояние. Винтовая дислокация (см. рис. 6.2 б) в отличие от краевой параллельна вектору сдвига. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов при “захлопывании” вакансий , а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью r дислокаций понимают суммарную длину дислокаций в см, приходящуюся на единицу объема V кристалла, выраженную в см3. Таким образом, размерность плотности дислокаций см-2. У отожженных металлов 10-6 - 108 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 - 1012 см-2. Более высокая плотность дислокаций приводит к появлению микротрещин и разрушению металла.  Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл. Поверхностные, или двумерные, дефекты относятся уже к разряду макроскопических - это границы раздела и дефекты упаковки.  Границы раздела представляют собой переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую ориентацию (рис. 6.4). Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние. Кроме того, по границам зерен в технических металлах скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие нескольких десятков градусов. Рис. 6.4. Схема поликристаллического строения кристалла Рис. 6.5. Схема блочной (мозаичной) структуры зерна Существует еще один источник поверхностного искажения кристаллического строения кристалла. Если рассмотреть зерно при большом увеличении, то окажется, что внутри него имеются участки с размерами 0,1-1 мкм (их называют субзернами), разориентированные друг относительно друга на угол 15-300 (малоугловые границы) Такая структура называется блочной или мозаичной (рис. 6.5). Свойства металлов будут зависеть как от размеров блоков и зерен, так и от их взаимной ориентации. Трехмерные, или объемные, дефекты - это макродефекты, которые представляют собой изолированные в кристалле участки объема, существенно превышающие объем элементарной ячейки. К таким дефектам относятся трещины, пустоты, дендриты, включения других кристаллов, газов, жидкостей и т.д.  Дендрит - это древовидные кристаллические образования, обнаруживаемые в монокристаллах и слитках металлов, полуметаллов, полупроводников и их сплавов. Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка (рис. 6.6). На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита. Под включением понимают объем пустот, геометрически изолированный в кристалле, заполненный веществом, отличающимся от вещества основного кристалла. Включением может быть пузырек газа или жидкости, частица другого кристалла, отличного от основного по вещественному или фазовому составу. 1.4 Методы изучения состава, структуры и свойств материалов Механические свойства материалов определяют при испытаниях. В зависимости от длительности приложения нагрузки испытания делят на следующие: - динамические, при которых нагрузка резко прикладывается к образцу в течение нескольких сотых долей секунды (для определения ударной вязкости); - статические, с постепенным (плавным возрастанием нагрузки от нуля до максимального значения) – длительность составляет несколько минут, определяют все механические свойства; - усталостные, при которых образцы испытывают длительное время (десятки и сотни часов) при циклически изменяющихся или постоянных нагрузках – для определения эксплуатационных свойств. Для изучения состава и строения металлов и сплавов применяют химический и спектральный анализ, макроскопический, микроскопический анализ, электронно-зондовые методы, рентгеноструктурный анализ, термический анализ и другие. Химический состав сплава определяют с помощью химического и спектрального анализа. Химический анализ проводят в лаборатории, дает точное содержание химических элементов, но длителен во времени. Спектральный анализ менее точен, но дает результаты в течение нескольких минут, часто используется как экспресс-анализ сплавов в процессе их плавки в металлургических и литейных цехах. Макроскопический, или макроструктурный анализ проводят визуальным осмотром или с увеличением в 5-30 раз с помощью лупы. Изучают поверхности изломов отливок, поковок, объемные дефекты – трещины, раковины и т.д. Микроскопический анализ применяют для исследования микроструктуры металлов и сплавов с увеличением в 50-2000 раз под микроскопом. Можно выявить микротрещины, неметаллические включения, форму и размер зерен (поверхностные дефекты). Электронно-зондовые методы разнообразны, наибольшее применение имеют просвечивающая и растровая электронная микроскопия, электронография Возможно наблюдение кристаллических решеток и даже отдельных атомов. По строению решеток судят о химическом составе вещества. Рентгеноструктурный анализ основан на явлении отражения рентгеновских лучей с очень короткой волной от атомов в кристаллической решетке исследуемого объекта. Отраженные лучи регистрируют на фотопластинке в виде рентгенограмм, которые позволяют вычислить расстояние между атомами в кристаллической решетке и установить их расположение, которое соответствует определенным химическим элементам. Термический анализ состоит в определении тепловых эффектов и фиксации температур фазовых превращений в сплавах, которые сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Исследуемый сплав нагревают и охлаждают с записью диаграммы температура-время. По перегибам и площадкам на диаграммах судят о фазовых превращениях и устанавливают критические точки. 1.5 Контрольные вопросы 1. Что изучает материаловедение? 2. Как вы понимаете структуру и свойства материалов. Отчего зависят свойства? 3. Перечислите свойства сплавов (5 групп). 4. Какие свойства относят к механическим? Приведите примеры 5. Какие свойства относят к технологическим? Приведите примеры 6. Какие свойства относят к эксплуатационным? Приведите примеры 7. Дайте определение прочности, пластичности, упругости, твердости 8. Какие существуют методы определения твердости? 9. Какие свойства материалов относятся к технологическим? 10. Дайте определение жидкотекучести, усадки, ликвации, ковкости, свариваемости, обрабатываемости, закаливаемости. 11. Какие свойства относят к эксплуатационным? 12. Дайте определение свойствам: долговечность, длительная прочность, износостойкость. 13. Теория сплавов (определение сплава, его компонентов). 14. Характерные металлические свойства сплава. 15. Кристаллическое строение металлов и сплавов. 16. Фазы и структуры сплавов. 17. Дефекты кристаллического строения реальных металлов и сплавов. 18. Методы изучения состава, структуры и свойств материалов. Литература к Модулю 1. 1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил. 2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.: ил. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для втузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.: илл. 4. Черепахин А.А. Материаловедение: Учеб. для студ. учр. сред. проф. образ-я. – М.: ИЦ «Академия», 2004. – 256 с., илл. 5. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 256 с. – илл. 6. Пикунов М.В., Десипри А.И. Металловедение. Учеб. пособие для техникумов цвет. металлургии. – М.: Металлургия, 1980 – 288 с.: илл. 7. Металловедение и технология металлов: Учебник для немашиностроит. спец. втузов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демянцевич и др.; Под ред. Ю.П. Солнцева. – М.: Металлургия, 1988. – 511 с.: илл. 8. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов: Учебник для металлургических спец. вузов / Б.Г. Лившиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Линецкий.; - Под ред. Б.Г. Лившица. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1980. – 320 с.: илл. 9. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 350 с.: илл. 10. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1987. – 205 с.: илл. 11. Гривняк И. Свариваемость сталей. Пер. со словацк. Л.С. Писаренко; Под ред. Э.П. Макарова. – М.: Машиностроение, 1984. – 215 с.: илл. 12. Микляев П.Г., Фридман Я.Б. Анизотропия механических свойств металлов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 223 с. илл. 13. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 232 с.: илл. 14. Денель А.К. Дефектоскопия металлов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1972. – 303 с. 15. Ермаков С.С. Физика металлов. Часть 1. – Л.: Изд. Ленингр. ун-та, 1975. – 176 с.: илл. Модуль 2. Диаграммы состояния сплавов Диаграммы состояния, методы их построения Диаграмма состояния сплавов представляют графическую зависимость фазового состава от температуры и концентрации исходных компонентов. Диаграмма выполняется в системе прямоугольных координат. В верхней части – название системы. По вертикальной оси – температура, по абсциссе – состав. Любая точка на оси абсцисс в сумме должна дать 100% . крайняя левая ордината показывает температуру плавления первого компонента (находится чистый компонент А). На крайней правой ординате находится второй в порядке записи компонент в чистом виде. Концентрация обозначается одним этажом. Указывается элемент, концентрация которого возрастает слева направо. Любой сплав на диаграмме состояния можно изобразить штрихпунктирной линией (вертикально), проведенной из заданной концентрационной точки. Любая диаграмма состояния представляет собой набор каких-то определенных линий. Эти линии могут быть вертикальными, горизонтальными, наклонными, но любая линия на диаграмме состояния независимо от ее характера представляет собой границу предельного существования той или иной фазы в чистом виде. Любая линия является критической линией. При переходе сплава через какую-то линию существенно меняются фазы, структуры и свойства. Самая верхняя линия на диаграмме состояния, получила название линия – ликвидус ( в переводе – жидкость). Линия говорит о том, что любой сплав, находящийся при температурах выше этой линии, находиться полностью в жидком состоянии. Линия, которая находится в непосредственной близости от линии - ликвидус и имеющая с ней контакт хотя бы в одной точке, называется линией солидус. (твердое). Солидус говорит о том, что любой сплав, находящейся при температуре ниже этой линии, находиться полностью в твердом состоянии. А n B – ликвидус A m A – солидус B m A – 100% Cu, в В – 100% Ni. А б. определить температуру плавления чистой меди, m B – температура плавления чистого никеля. Выше A n B – жидкость. Ниже A m B – твердые растворы. По А m В можно определить температуру кристаллизации Сu или Ni. 2.2 Диаграмма состояния системы железо-углерод (железо-цементит). Основные компоненты диаграммы и их особенности. Система из двух компонентов (Fe и Fe3C). Железо Fe – характерная особенность в том, что обладает свойствами полиморфизма (способность химического элемента с изменением температуры менять тип или размеры кристаллической решетки). Таблица. Это проявляется по кривой охлаждения. Температура жидкого состояния 16000, начинаем охлаждать. При температуре 15390 – площадка- начался процесс выделения скрытой теплоты кристаллизации, что ведет на построение связей между ионами Ме => если есть связи => Ме начинает кристаллизироваться (процесс первичной кристаллизации жидкого Fе в тв Fе и приобретает объемно-центрированную кристаллическую решетку ОЦК. Ионы Fе в узлах кристаллической решетки и на пересечении куба. При дальнейшем охлаждении при t= 13920 снова выделяется скрытая Q кристаллизации. Она идет на переформирование кристаллической решетки (процесс перекристаллизации). Из ОЦК образуется ГЦК. В узлах решетки по иону и на пересечении диагональных сторон куба по иону Fе. n=14 При Т=9110С ГЦК→ОЦК При Т =7680С происходит изменение расстояний между узлами и далее охлаждение идет без изменения кристаллической решетки. До комнатной температуры Fе четырежды меняет тип кристаллической решетки  у Fе 4 формы. Каждая форма обозначается буквой греческого алфавита, причем снизу вверх α,β,γ,δ . α и β – тип один, но различны параметры  разные физические свойства (магнитные и немагнитные), но в машиностроении это не важно  границы не существует. Таким образом в интервале от комп. До 911 – Fе α. От G до N – Fe γ – гамма –железо. От N до А - Feδ. Так как тип кристаллической решетки представляет собой структуру, а структура влияет на свойства, следовательно тип кристаллической решетки влияет на свойства. Чем плотнее упаковка ионов в кристаллической решетке, тем выше пластичность материала. γ – железо обладает максимальной пластичностью. Fе – от 911 до 13000С. Для получения высокой пластичности Fе необходимо нагревать. Карбид железа (цементит). Карбиды – химическое соединение металлов с углеродом. Тип связи – химическое соединение характеризуется твердостью (высокой). 1. карбид железа в системе железисто – углеродистых сталей обладает максимальной твердостью. 2. чтобы получить материалы с высокой твердостью, необходимо выбирать такие концентрации углерода, чтобы получить как можно больше цементита. Но пластичность – низкая, материал – хрупкий. Цементит относится к категории устойчивых химических соединений (до полного растворения в процессе нагрева не разрушается). Значение линий и точек на диаграмме состояния. Линия ABCD – линия ликвидус. Все сплавы выше этой линии – в жидком состоянии. т. А – температура плавления чистого железа. т. D – температура плавления чистого цементита. (точка температуры плавления цементита не установлена, считают приблизительно 16000С). Линия AHIECF – линия солидус. Fe - кристаллическое и плавится при одной температуре в точке А. Линия AHN – граница предельной растворимости углерода в Fe δ. Линия HIB – граница перитектической реакции (промежуточной). Т. I – перитектическая точка. Линия NIESG – граница предельной растворимости углерода в железе γ. Линия ECF является участком линии солидус – граница эвтектической реакции (механическая смесь). Т. С –эвтектическая точка. Линия QPG – граница предельной растворимости углерода в Fe α. Линия PSK - граница эвтектоидной реакции. Т. S - эвтектоидная. Дополнительная линия диаграммы. Пунктирная линия, опущенная из точки С на ось состава –область существования чистой эвтектики. Пунктирная линия из точки S обладает чистым эвтектоидом. Основные фазы диаграммы состояния. I – однородная жидкость – выше линии ликвидус (обозначается Ж). II- цементит находится на правой крайней правой диаграмме (обозначается Ц). III – низкотемпературный феррит (твердый раствор углерода в α. – железе) Feα (C) – впереди-растворитель, в скобках –растворимый. IV – аустекит (в честь одного из авторов диаграммы Аустека). Представляет собой твердый раствор углерода в Feγ. Feγ (С) обозначается А. В чистом виде находится в области ограниченной линиями NIESG. V –высокотемпературный феррит- твердый раствор углерода в Feδ. Feδ (С) обозначается δ. Область чистого Feδ (С) находится левее линии AHN. 2.3 Анализ диаграммы состояния железо-цементит Основные правила анализа диаграммы состояния. I.Любой анализ любой диаграммы состояния проводится методом построения кривых охлаждения. При анализе по кривым охлаждения можно установить: 1) начало кристаллизации (конец плавления). 2) конец кристаллизации (начало плавления). 3) дополнительные температуры, при которых могут происходить фазовые превращения. 4) установить структуру при любой температуре для данного сплава. 2.3.1 Анализ верхнего левого угла диаграммы состояния. Для каждого сплава строим кривую охлаждения. Точка t1 лежит на линии - ликвидус, и что-то из жидкой фазы должно выделиться. Правило для определения выделяющейся фазы: Для определения выделяющейся фазы необходимо из точки пересечения заданного сплава с данной линией диаграммы провести в рассматриваемой области горизонтальную линию (коноду) до пересечения с первой попавшейся линией диаграммы. Если конода будет пересекать вертикальную линию, то будет выделяться та фаза, которая находится в этой линии. Если конода будет пересекать наклонную линию, то будут выделяться кристаллы твердого раствора. При этом направление коноды укажет на компонент – растворитель. В точке t1 – твердые кристаллы. От точки А до точки N - Fe δ (растворитель). Таким образом, при t0=t1 из жидкости будут выделяться кристаллы твердого раствора С в Feδ – высокотемпературный феррит. На диаграмме должна появиться горизонтальна площадка. Но процесс кристаллизации идет в интервале температур от t1 до t2, будет оставаться остаточное количество жидкости. АН-участок линии-солидус. Правило отрезков. Для определения количественного соотношения остающейся и выделяющейся фаз необходимо из заданной температурной точки провести в обе стороны коноды до пересечения с теми линиями диаграммы, которые являются границами предельного существования этих фаз в чистом виде. В результате получаем 2 отрезка и тогда количество одной фазы будет так относиться к количеству другой, как относятся отрезки, противолежащие этим фазам. От точки t/ до пересечения с линией-ликвидус проводим отрезок вправо - t/1b и влево аt/ аt/ - противолежит жидкости, t/b – противолежит твердой фазе при температуре t/ твердой фазы будет находиться в 2 раза больше, чем жидкой. Возьмем точку t//. C приближением к линии-солидус количество твердой фазы увеличивается. В том случае, когда сплав пересекает наклонную часть линии-солидус, количество жидкой фазы становится =0. Необходимо установить, какая фаза будет в области NHIN. Из точки t3 проводим коноду до пересечения с линией NI. Конода вышла в область, ограниченную линиями NIESG-область δ-железа. Будут выделяться кристаллы аустенита в интервале температур t3÷t4. Ниже t4 выделяются чистые зерна аустенита. При t=t7 во II-ом сплаве будет проходить перитектическая реакция: остающиеся и выделяющиеся фазы, взаимодействуя друг с другом, образуют новую фазу, которая характеризуется перитектической точкой I, будут образовываться кристаллы аустенита. На кривой охлаждения образуется горизонтальная площадка. Правило для определения избыточной фазы после перитектической реакции. Если точка пересечения сплава с границей перитектической реакции лежит между перитектической точкой и линией – ликвидус, то после реакции в избытке окажется жидкая фаза. Если точка пересечения не лежит между перитектической точкой и линией ликвидус, то в избытке всегда твердая фаза. В промежутке от t11 до t12 в избытке будет жидкая фаза. 2.3.2 Анализ нижней стальной части диаграммы состояния железо-углерод. Анализ проведем с помощью структурных столбов. Было установлено, что в области, ограниченной линией NIESG находится аустетит. У кристаллов аустетита одна граница - прямолинейная. Проведем из t1 коноду до крайне правой ординаты. Идет процесс вторичной кристаллизации. Ж →А →Ц ЦII выделяется в результате перенасыщения аустетита углеродом. При t=11470С (т. Е) в А максимальная растворимость углерода составляет 2,14%, с понижением температуры растворимость углерода в А будет уменьшаться по линии ЕS. У цементита концентрация углерода 6,67%. Ниже t1 лежит на линии PSK граница эфтектоидной реакции. Происходит эфтектоидная реакция, из твердого раствора выделяются одновременно 2 фазы, которые характеризуются крайними точками границы реакции (т. Р и К). Влево от точки Р – феррит, в точке К цементит. В результате реакции образуется механическая смесь (Ф+Ц) –перлит. ЦII охлаждается до более низких температур без изменений. Свойства перлита: как механическая смесь характеризуется максимальной прочностью, высокая статическая прочность, высокая твердость. Низкая динамическая прочность. От t4 до t5 – состав остающейся фазы. Для определения состава фазы необходимо из заданной температурной точки провести коноду до пересечения с той линией диаграммы, которая является границей предельного существования искомой фазы в чистом виде. Проекция точки пересечения на ось состава укажет состав этой фазы. Вывод: при уменьшении температуры состав твердого раствора будет всегда меняться по границе предельного существования этого раствора в чистом виде. Состав может меняться только по линии t4 S. при t5 A приобретает концентрацию точки S. На вертикальной линии, опущенной из точки S – чистый перлит. От t8 до t9 – кристаллы феррита, полиморфные прозрачные, хаотически расположенные. При t9 будет выделяться из сплава цементит. Ж →А →Ф→ЦIII Так как ЦIII очень мало в структуре, им часто пренебрегают. Но он оказывает существенное влияние на свойства сплава. Ц всегда характеризуется максимальной твердостью, но чем больше твердость, тем меньше пластичность, ниже ударная вязкость. Поэтому сплавы, подобные III –му, характеризуются повышенной хрупкостью. II сплав – твердые растворы и механические смеси (2 типа связей). Твердые растворы характеризуются максимальной пластичностью. Пользуясь правилом отрезков, можно установить, что с уменьшением концентрации углерода возрастает количество Ф, а с увеличением углерода количество П, следовательно чем ниже концентрация углерода в стали, тем выше ее пластичность, ударная вязкость, но ниже твердость и прочность. С увеличением углерода пластичность и ударная вязкость понижается, твердость и прочность возрастает. При концентрации С=0,8% (чистый перлит) –получаем наиболее высокопрочную сталь. 2.3.3 Анализ чугунной части диаграммы состояния железо-углерод. При температуре t из Ж будут выделяться кристаллы твердого раствора (аустенита) – от t до t1. С изменением температуры от t до t1 состав будет меняться по минимальной tС. При t=11470С Ж приобретает концентрацию точки С. Жс (4,3%С). Сразу же начинается эвтектическая реакция. ЖС → (А+Ц) – высокотемпературный ледэбурит; ЛА –ледэбурит на аустенитной основе. Кристаллы аустенита не принимают в реакции участия. Состав будет изменяться при t=11470 в А → 2,14 С. При t=7270 С→0,8. Избыточный углерод пошел на формирование новой, более высокой углеродной стали, чем аустетит. Это Ц (процесс перенасыщения аустетита углеродом). При t=7270С аустетит принимает температуру точки S АS. Сразу начинается эфтектоидная реакция. АS → (Ф+Ц);П При t=7270 (А+Ц)/(П+Ц)- смесь перлита с цементитом получила название ледэбурит на перлитной основе АП. От t3 до t4 из жидкости выделяется первичный цементит. От t3 до t4 – состав жидкой фазы будет изменяться по минимуму t3С. При t4 – эвтектическая реакция. А в составе ЛА будет изменяться по минимуму. Ниже t5 ЛА→ЛП Классификация сплавов в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод. С≤0,006% C- 2.14÷6.67%/ При комнатной Температуре – С→ 0,006÷0,02% C→0.02÷2.14% чистый феррит. Ф+ЦIII Главный принцип разделения сталей и чугунов: в чугунах – обязательно ледэбурит, в сталях его пет. С=0,02÷0,8% Ф+П. С=0,8÷2,14% С≈0,8% (0,7÷0,9) П+ЦII П. С=2,14÷4,3% C=4.3% С=4,3÷6,67% П+ЛП+ЦII ЛП ЛП+Ц Примечания: диаграммы состояния железо-углерод характеризуют только белые чугуны. Серые чугуны в этой диаграмме не описываются. 2.4 Контрольные вопросы 1. Диаграммы состояния сплавов – общий вид, линии солидус, ликвидус. 2. Диаграмма сплавов железо-углерод. Общие положения. 3. Характеристика железа. 4. Характеристика карбида железа (цементита). 5. Основные фазы диаграммы состояния железо-углерод. 6. Правило анализа диаграммы состояния. 7. Правило для определения выделяющейся фазы: 8. Правило отрезков для определения количественного соотношения остающейся и выделяющейся фаз. 9. Анализ верхнего левого угла диаграммы состояния. 10. Анализ нижней стальной части диаграммы состояния железо-углерод. 11. Анализ чугунной части диаграммы состояния железо-углерод. 12. Что такое сталь и чугун (определения). Классификация сплавов по диаграмме состояния. Литература к Модулю 2. 1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил. 2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.: ил. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для втузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.: илл. 4. Материаловедение: практикум / В.И. Городниченко, Б.Ю. Давиденко, В.А. Исаев и др.; Под ред. С.В. Ржевской. - М.: Логос, 2004. – 272 с. 5. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: Учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 768 с.: илл. 6. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учебник для втузов. – М.: Металлургия, 1989. – 382 с.: илл. 7. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебник для техн. вузов. - 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1991. – 447 с.: илл. 8. Черепахин А.А. Материаловедение: Учеб. для студ. учр. сред. проф. образ-я. – М.: ИЦ «Академия», 2004. – 256 с., илл. 9. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 256 с. – илл. 10. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1978. – 295 с.: илл. 11. Ассонов А.Д. Основные сведения о металловедении и термической обработке. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1972. – 109 с.: илл. 12. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.: илл. 13. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Металлургия, 1981. – 414 с.: илл. 14. Колачев Б.А., Габидуллин Р.М., Гигузов О.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1980 – 279 с.: илл. 15. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для металлург. спец. вузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Металлургия, 1983. – 359 с. 16. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник: В 3-х т. / Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991. 17. Закалочные среды: Справочное издание Люты В.; Под ред. С.Б. Масленкова / Пер. с польск. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отд-ние, 1990 – 192 с. 18. Гринберг Б.Г., Иващенко Т.М. Лабораторный практикум по металловедению и термической обработке: Пособие для мех. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1968. – 320 с. Модуль 3. Термическая и химико-термическая обработка сплавов 3.1 Основные виды термической обработки сталей. Закалка, отпуск и отжиг 3.1.1 Основы термообработки сталей. Термической обработкой называется такой вид тепловой обработки, в результате которой существенно меняется структура, а химический состав материала остается неизменным. Любой способ термообработки состоит из 3-х этапов: 1. нагрев с определенной скоростью до определенных температур. 2. выдержка в течении определенного промежутка времени. 3. охлаждение с определенной скоростью до определенных температур. Любой процесс термообработки можно изобразить графически. По вертикальной оси –откладывают t0, по горизонтальной – время. В зависимости от t0 и время на каждом этапе классифицируются все способы термообработки (быстрое охлаждение, медленное, выдержка…) Этот график характеризуется непрерывным нагревом, непрерывным охлаждением. В процессе термообработки могут быть многоступенчатые нагревы и охлаждения. Все процессы можно свести к 3-м основным способам: 1. закалка. Нагреваем до высоких температур, и после сравнительно непродолжительной выдержке проводим быстрое охлаждение. 2. отпуск. Нагреваем до сравнительно невысоких температур, и после выдержки проводится сравнительно медленное охлаждение. 3. отжиг. Деталь нагревают до сравнительно высоких температур приблизительно как при закалке, но устанавливается длительная выдержка, проводится очень медленное охлаждение (обычно вместе с печью). Нормализация – разновидность отжига. При ней охлаждение ускоренно (на спокойном воздухе). 3.1.2 Закалка сталей. Закалка – нагрев стали до температуры выше линии фазовых превращений с последующей выдержкой при заданной температуре и последующем быстрым охлаждением. Цели закалки: 1) повышение твердости. 2) повышается статистическая, но падает динамическая прочности. Закаленные структуры нигде использовать нельзя. Закаленные стали становятся хрупкими. Сущность закалки: Исходной структурой сталей, использованных для закалки, является перлит (механическая смесь феррита и цементита). П А М С в Ф≤0,02% . в цементите концентрация С-const, =6,67%. Перлит представляет собой 2 фазы, которые резко отличаются друг от друга по концентрации углерода. Затем в процессе нагревания из 2-х фаз появилась 1. Такое перераспределение углерода возможно только в результате диффузии. Скорость деформации в твердых телах очень мала, поэтому нагрев в процессе закалки должен быть медленным. Охлаждение должно быть быстрым, чтобы из А не получился П. Диффузионные процессы подавляются, не успевают развиваться. 0,8% С –остается. А может существовать не ниже 727 0С, а П не появляется, следовательно, при комнатных температурах образуется Feα(С) пересыщенный, он получил название мартенсита. Мартенсит является очень твердой структурой. Кристаллическая решетка феррита представляет собой объемно-центрированный куб. В такой кристаллической решетке – 9 ионов (один на пересечении диагоналей куба). При t=7270 образуется А (гранецентрированная кубическая решетка). После быстрого охлаждения решетка стремится приобрести форму объемного центрированного куба, но превращается в тетрагональную решетку. Избыточные ионы находятся на межплоскостных расстояниях, следовательно, объем решетки увеличился. с/а – степень тетрагональности. Чем больше с/а, тем в большей степени увеличивается объем решетки. Следовательно, внутри металла возникают очень высокие внутренние силы. Появление внутренних сил приводит к появлению внутренних напряжений. Чем больше внутреннее напряжение, тем выше твердость металла. Таким образом, поскольку мартенсит характеризуется тетрагональной решеткой, твердость мартенсита будет значительно выше исходной твердости. Дополнительные обозначения. PSK- критическая линия А1. GS – критическая линия А3. SE – критическая линия Аm. Существенно меняется положение линий в процессе охлаждения (понижаются). Нагрев: Ас1, Ас3, Асm. Охлаждение: Аr1, Ar3, Arm. В равновесном состоянии PSK – линия 7270. В процессе охлаждения – PSK может снижаться до 2500. Влияние высоты нагрева на результаты закалки. I – сталь доэвтектоидная, II – заэвтектоидная сталь. Допустим, что сталь I нагревается до t=600. в процессе нагревания сплав не пересекает ни одной линии диаграммы, превращений не произошло, А –нет. Нагревание под закалку доэвтектоидных сталей до температур, не превышающих линию А1, бессмыслен. В процессе нагревания до t=750 сплав будет пересекать границу доэвтектического превращения, П→А, Ф→Ф. при быстром охлаждении А→М. Контроллер делает не < 3 уколов. Среднеарифметическое значение даст результат твердости. Но при этом разность показаний твердомеров не должна отличаться больше чем на 5 единиц. Ф-мягкая структура. М- твердая структура. Смысл брака: в различных точках поверхности деталь проявляет различную твердость. Вывод: нагрев доэвтектоидных сталей под закалку выше Ас1, но ниже Ас3 является необходимым, но не достаточной. Нагреем выше Ас3 на 30….500. От Ас1 до Ас3 – процесс постепенного растворения Ф в А. Выше Ас3 в структуре только А. Если охлаждение с t > 30….50, так как необходимо создать какой-то запас температур, необходимый на момент переноса детали из нагревательного устройства в ванну с охлаждающей средой. Можно нагревать и до Ас3, но выше –больше гарантии. Д- размеры зерна. До линии Ас1 размер зерен П не меняется. На момент образования эвтектоидной реакции на границе резкого перепада концентрации углерода появляются зародыши кристаллов аустенита. Процесс кристаллизации идет путем наслоения новых кристаллических решеток на ранее существовавшие. Наслоение будет продолжаться, пока растущие соседние кристаллы не столкнутся. В точке столкновения рост кристаллов прекращается, но продолжается в свободном направлении. После стыковки кристаллы начинают сливаться друг с другом, образуя блоки. Блоки могут соединяться друг с другом, образуя агломераты (очень крупные зерна). Оптимальной температурой нагрева стали под закалку считается температура, при которой не наблюдается очень интенсивного роста зерен аустенита, но близкой к этой границе. В зерне аустенита при быстром охлаждении мгновенно возникает игла мартенсита. Она как бы распарывает весь объем аустенитного зерна, создавая очень высокие внутренние напряжения. Если сталь нагреть под закалку выше Ас3 на 1000, размер зерна А становится очень большим. Так как объем зерна больше, игла мартенситного зерна будет массивней, и внутреннее напряжение может превышать предел выносливости, и могут возникать закалочные трещины, и деталь будет иметь окончательный брак. Чем больше внутреннее напряжение материала, тем ниже запас прочности этого материала. Вывод: перегрев доэвтектоидной стали под закалку выше линии Ас3 более чем на 30…..500 не допустим, такой нагрев будет приводить к резкому охрупчиванию стали. Но это не для всех сталей. У некоторых сталей размер зерна А будет меняться по прямолинейному закону. Связи с этим все стали с позиции закаливаемости делятся на 2 принципиальные группы. I – наследственномелкозернистые стали (зерно изменяется по криволинейному закону). II-наследственнокрупнозернистые стали (размер зерна изменяется по прямолинейному закону). I- получают в кислом процессе. II- в скрапрудном процессе. Возьмем сталь с концентрацией 0,04% С. Тз=850…8700. Для стали II- крупные размеры зерна. Вывод: все наследственнокрупнозернистые стали нельзя подвергать закалке. Вывод: так как оптимальная температура нагрева под закалку для доэвтектоидных сталей зависит от положения линии GS, то выбор температуры нагрева под закалку будет зависеть от концентрации углерода. Чем она выше, тем ниже температура нагрева. II сплав – заэвтектоидная сталь. Нагревается до температур не выше Ас1 на 30…500, а затем провести быстрое охлаждение, мы получим структуру нормальной неполной закалки. Неполной она называется, так как если провести охлаждение, А→М, ЦII → ЦII Но пятнистости здесь не будет, так как твердость М и ЦII примерно одинакова. Если нагреть выше Аст на 30…500, t0 будет располагаться близко к линии- солидус, такая температура будет приводить к охрупчиванию сталей. Температура нагрева под закалку заэвтектоидных сталей будет определяться линией Аст. Она не будет зависеть от концентрации углерода (линия будет горизонтальной). Влияние времени выдержки на результаты закалки. На линии Ас1 из П появляется А. первое зерно А при t=7270 будет содержать в составе 0,8% С. При пересечении сплавом линии GS будет появляться А с концентрацией 0,4%С. Максимальная концентрация С в Ф не более 0,02%. Низкоуглеродистый Ф будет растворять высокоуглеродистый А и будут появляться зерна с концентрацией 0,3;0,2;0,1. Вывод: на момент нагрева состав аустенитных зерен по сечению оказывается неоднородным. Этот состав сохраняется при достижении закалочных температур. Если не производя выдержку быстро охладить, получим структуру пятнистой закалки. Чем выше концентрация С в А, тем выше будет твердость после закалки. Зерна с концентрацией С меньше 0,3% закалки не примут. Необходимо выровнять все зерна А по составу по сечению. Концентрация 2-х соседних фаз может выравниваться только за счет диффузии, для которой необходимо время. Для выравнивания состава аустенитных зерен по сечению назначается выдержка. Выдержка будет зависеть от теплопроводности стали. Чем она выше, тем выдержка короче. Меньшей теплопроводностью обладает легированные стали, а большей – углеродистые. Выдержка назначается С. 0: Для углеродистых сталей 1-2мин на 1мм сечения. Для легированных сталей: 3-4мин на 1мм сечения. Влияние скорости охлаждения на результаты закалки. Скорость охлаждения в процессе закалки является решающим фактором. В процессе охлаждения происходят превращения А: I. Feγ (C) → (Feα(C) +Fe3C) A → ( Ф + Ц ) 0,8%С 0,02% 6,67% Фазы Ф и Ц выделяются одновременно в результате чего образуется механическая смесь. Процесс получил название сегрегация (разделение). Он возможен только за счет диффузии. Этот принцип охлаждения А получил название диффузионного превращения. II. Feγ(C) → Feα(C)пересыщен 0,8%С 0,8%С С≤0,02% А → М Так как нет Ц, процесс диффузии не проходил, так как не было времени. II вариант – бездиффузионное превращение. В процессе закалки необходимо стремиться ко 2 варианту. В результате быстрого охлаждения линия PSK на диаграмме состояния Fe – С начинает раздваиваться и изгибается в виде буквы С. Такая диаграмма получила название диаграммы изотермического распада аустенита. Т – температура, τ – время. В равновесной диаграмме состояния Fe-C линия PSK – горизонтальная. В верхней части линии стремятся слиться и приблизиться к температуре 7270. Получаем три линии: 1-граница начала диффузионных превращений. Когда сплав пересекает линию 1, превращение по I варианту. 2-граница конца диффузионных превращений. Все превращения по I-му варианту. 3- Мн – граница начала мартекситного (бездиффузионного) превращения. Это самая наипростейшая диаграмма, соответствующая углеродистой стали 48. Диаграмма изотермического распада А позволяет выбирать охлаждение среды и устанавливать, какая будет получаться структура при закалке в той или иной охлажденной среде. 1. Предположим, что охлаждение будет происходить со скоростью ~10/сек. Степень охлаждения будет составлять 300 С. Но так как вектор будет пересекать границу начала и конца диффузионных превращений, превращения пойдут по 1-му типу. Она имеет пластинчатую основу, эту смесь назвали перлитом. 2. попробуем увеличить скорость охлаждения в 10 раз. Превращения начнутся раньше чем в первом случае, но при большей степени переохлаждения ( ≈1000С) Продуктом будет являться ферритно – цементитная механическая смесь. Но увеличение степени переохлаждения всегда приводит к измельчению зерна, межпластинчатое расстояние будет ≈ в 2раза меньше чем у предыдущего. Эту смесь назвали сорбитом. 3. проведем охлаждение с υ3≈500/с. Получается механическая смесь Ф+Ц, у которой межпластинчатое расстояние ≈ 1÷1,5 мкм. Эту смесь назвали трооститом. 4. проведем охлаждение при υ4≈1000/с, в точке а А→Т, в интервале от а до в будет присутствовать Т+А. при переходе границы начала Мн А мет. взрыва → в М, Т остается неизменным. Получаем троостомартенситную структуру. 5. проведем охлаждение при υ5 таким образом, чтобы вектор только касался границы диффузионных превращений, не пересекал ее. Такую скорость назвали скоростью критической закалки. Для стали У8 υ5= υкр.з=1800/с. Если будем проводить охлаждение со скоростью, превышающей критическую, будем все время получать только мартенсит. Критической скоростью закалки называется такая минимально возможная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается только в мартенсит. Меняя скорость охлаждения, можно получить 5 типов структур. Перлит, сорбит, троостит являются механической смесью феррита и цементита. Различие их в плотности структур. Перлит более рыхлая структура, троостит – более плотная. Чем выше плотность структуры, тем выше сопротивление внедрению инородного тела, т.е с повышением плотности структуры увеличивается твердость. Для стали У8 HRC Перлит ≤13 Сорбит 20….30 Троостит 40….50 Т+М 50….60 М 60 Вывод 1. с повышением скорости охлаждения твердость возрастает. 2. возрастание твердости не является беспредельным, и ограничивается свойствами мартенсита. 3. увеличение скорости охлаждения выше критической скорости закалки к повышению твердости не приводит. Чем выше скорость охлаждения, тем выше хрупкость стали. В реальных производственных условиях скорость охлаждения должна незначительно превышать скорость критической закалки. Эта скорость определяется типом среды. Для этой цели все охлажденные среды делятся на 3 типа: 1. сильные охлаждающие среды. υохл. =800…12000/с к ним относятся: 1) водный раствор едкого натрия, 2)водные растворы хлористого натрия (1000-11000/с) 3) холодная проточная водопроводная вода (800÷9000/с) 2. умеренные (различные минеральные масла: турбинное, вазелиновое, трансформаторное… υохл. =5000/с 3. слабые среды (скорость не больше 400/с). К таким средам относится холодный винтиляторный воздух, спокойный воздух, массивные металлические плиты (алюминевые, медные, с высокой теплопроводностью, расплавы легкоплавких солей с tплав. Не больше 2800. Охлажденная среда выбирается в зависимости от критической скорости закалки для данной стали. Факторы, влияющие на величину критической скорости закалки. Самое сильное влияние на υкр.з оказывает концентрация углерода С. Для углеродистых сталей min υкр.з соответствует 0,8% С υкр.з возрастает не сильно, а с уменьшением – сильно возрастает, при концентрации С≈0,25% υкр.з ≈100000/с. Для концентрации 0,1% υкр.з=12000%. Для водных раствор и едкого натрия υкр.з≤12000/с. Вывод: стали с концентрацией углерода меньшей 0,3% на сегодняшний день закалить невозможно из-за отсутствия охлаждающей среды. На величину υкр.з оказывают влияние легирующие элементы. Очень сильно уменьшает υкр.з М0 иW, доводя υкр≈20…300/сек. Стали, легированные М0 и W называют самозакаливающимися, их можно закалять на воздухе. 3.1.3 Отпуск. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур, не превышающих линии фазовых превращений, с последующей выдержкой при заданной температуре и последующим охлаждением. Цель отпуска: 1.уменьшить внутренние закалочные напряжения. 2. придать детали необходимые механические, технологические и эксплуатационные характеристики. В любом случае отпуск является последней термической операцией. Сущность отпуска: после закалки получаем структуру мартенсит. Он характеризуется тетрагональной решеткой, которая появляется из кубической решетки аустенита, происходит увеличение объема решетки, степень тетрагональности с/а=1,08. В результате увеличения объема появились внутренние закалочные напряжения, увеличивается хрупкость, уменьшается запас прочности, увеличивается твердость за счет появления ионов в межплоскостных расстояниях. Любые ионы в любой кристаллической решетке всегда находятся в колебательном движении с определенной амплитудой. Амплитуда колебаний будет тем выше, чем выше температура тела. При этом наиболее устойчивую связь будут иметь ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, а менее устойчивую связь – будут иметь ионы, находящиеся в межплоскостных расстояниях. Если начать нагревать такую структуру, амплитуда у ионов будет возрастать, при каких-то температурах связь будет нарушаться, и избыточные ионы покинут кристаллическую решетку и тетрагональная решетка будет преобразовываться в кубическую, то есть пойдет уменьшение объема, что приведет к уменьшению внутренних закалочных напряжений, но кристаллическая решетка типа куба представляет собой Ф, и концентрация С-0,02%. Избыточные ионы, сходящие с кристаллической решетки, остаются в близости от решетки, и идет химическое взаимодействие Fу с этими ионами С. Получается высокоуглеродистая фаза цементита, которая образует смесь с Ф. эта механическая смесь будет являться продуктом отпуска. М→(Ф+Ц). в зависимости от температуры при которой происходит отпуск, эта смесь может иметь различную степень дисперсности, от очень плотной до весьма рыхлой. С изменением степени дисперсности будут меняться свойства материала. Влияние высоты нагрева на результаты отпуска. Влияние высоты нагрева определяется с помощью приборов – дилатометров. Они позволяют следить за изменением объема материала в процессе изменения температуры. Дилатометр способен выдавать графическую зависимость изменения объема от температуры. Она получила название дилатометрической кривой. Δl – изменение длины образца; (+) – увеличение; (-) – уменьшение; Т – температура. Вначале нагрева до t = 100˚ длина образца почти не меняется. При дальнейшем увеличении температуры длина уменьшается до 250˚ и увеличивается до 300˚. Затем – необратимый процесс уменьшения длины образца. На этой кривой можно выделить 4 принципиальные зоны. Заключительная структура перед отпуском состоит из Мн и какого-то количества остатка А. он зависит от конц. С, от легир. элементов. В зоне I объем реш. не меняется, и размеры не меняются. При t>100˚ амплитуда ионов становится выше, происходит распад М, образуется отпущ. М……… ……………………………………………… Классификация видов отпуска. 1. Низкий отпуск – от 160 до 220˚. Чаще 180-200˚. Цель: уменьшить внутреннее закаленное напряжение с сохранением твердости и придать стали высокую износостойкость. Низкий отпуск назначается для деталей, работающих в условиях сильного трения. Подверг. все зубчатые колеса, направляющие, опорные элементы, контрольно-мерительный инструмент, слесарно-монтажный инструмент, штампы холодного деформирования. Структ. после низк. отп. – отпущ. …………….. От 250 до 300˚ для отп не назнач. т. к. в этом интервале происходит сильное охрупчивание сталей. 2. Средний отпуск – от 300 до 500˚С. Цель: уменьшить внутреннее закалочное напряжение при незначительном снижении твердости и придать стали высокие упругие характеристики и предел выносливости. Средний отпуск назначается для всех упругих элементов (пружины, рессоры, торсионные валы, мембраны, сильфоны, барометрические коробки и т.п.) Структура после среднего отпуска - … Т. 3. Высокий отпуск – от 500 до 680˚. Цель: уменьшить внутреннее закалочное напряжение с сохранением достаточной твердости и придать стали наиболее оптимальные сочетания механических характеристик. Как правило, возрастают пределы прочности и текучести, ударная вязкость, твердость падает значительно, но остается высокой по сравнению с сырым материалом. Высокий отпуск позволяет улучшить обрабатываемость резанием. Закалка с последующим высоким отпуском получила название улучшение, а стали, подверженные закалки с высоким отпуском – улучшаемые. Отпуск при t свыше 680˚ не назначается, т.к. после него образуется перлит П, как и в сырой стали. Влияние времени выдержки на результаты отпуска. На формирование структуры время выдержки при отпуске влияния не оказывает, но выдержка должна быть достаточно длительной, и она назначается для стабилизации твердости. Допустим, что происходит низкий отпуск при 200˚С. Со временем твердость будет незначительно падать, затем стабилизируется. Пусть необходимо получить твердость 55 единиц и необходимо выдержать время выдержки при отпуске. Если поместить ее в печь с t = 200˚С, необходимо выдержать 1ч, или в печь с t = 400˚С и выдержать 4мин, или в печь с 550˚С выдержать 1мин. В последнем случае на поверхности твердость будет 55 единиц, но ионы, находящиеся в узлах кристалл. Решетки, придали им импульс и со временем твердость детали будет как при t = 550˚С (15 НРС). Вывод: Все детали, подвергающиеся отпуску, должны выдерживаться при заданной температуре отпуска в течении такого промежутка времени, чтобы наступил процесс стабилизации твердости. После этого эксплуатационная деталь при температуре, не больше t˚ опт. к дальнейшему изменению твердости не приведет. Влияние скорости охлаждения на результаты отпуска. В результате охлаждения никаких структурных превращений не происходит. Скорость охлаждения отпуска существенного влияния на структуру не оказывает, но чем выше скорость охлаждения, тем больше величина усадки, тем выше внутреннее напряжение – противоречит основной цели отпуска. Вывод: охлаждение после отпуска должно быть как можно более медленным. Но это не для всех сталей и не для всех интервалов температур. В процессе нагрева при отпуске с повышением температуры повышается ударная вязкость (по прямолинейному закону), но начиная с температур ≈220˚ - резкое падение удельной вязкости, впадина I примерно при Т ≈ 250˚, затем увеличение удельной вязкости. При температурах с 450˚ возможно падение ударной вязкости, седло при 475˚, затем резкое возрастание твердости и вновь прямолинейное изменение. I охрупчивание – явление отпусков хрупкости первого рода (необратимая отпускная хрупкость). К ней склонны все стали, которые принимают закалку. Интервал температур от 250˚ до 300˚ отпускам не назначают. II падение удельной вязкости – явление отпускной хрупкости второго рода или обратимая отпускная хрупкость. Это явление наблюдается у сталей, склонных к отпускной хрупкости. Очень сильно влияют на отпускную хрупкость Mn, Ni. 1. Стали, у которых не наблюдается падение удельной вязкости – не склонные к отпускной хрупкости. 2. Стали, склонные к отпускной хрупкости. Хрупкость второго рода можно устранить, провода охлаждают после отпуска с высокой скоростью, но здесь будет возрастать внутреннее напряжение. Но если деталь будет исп-ся при t>400˚С, охрупчивание стали будет необратимым. 3.1.4 Отжиг Отжигом называется нагрев стали до температур ниже или выше фазовых превращений с последующей длительной выдержкой и последующим медленным охлаждением. Цели отжига-зависят от классификации отжига. Отжиг в зависимости от температуры нагрева делится на 2 группы: 1. отжиг I-го рода. 2. отжигII-го рода. Отжиг первого рода проводится при нагреве до температур, не превышающих линии фазовых превращений. Обычно при температуре 600-6500. Он называется рекристаллизационным. Главная цель: 1) снять внутренние напряжения, появившиеся в результате механической обработки. 2. устранить явление наклепа, которое появляется в результате холодной пластической деформации. Уменьшение по высоте заготовки ведет к тому, что происходит сплющивание зерен, появляется волокнистая структура, упорядоченность. Кристаллическая решетка под действием нагрузок искажается. Образование волокнистой структуры приводит к анизотропии. Анизотропия- способность материала в зависимости от направления действия внешней силы менять свои свойства. Если осуществить сдвиг по границам зерен, необходимо большую силу. При действии внешней силы поперек волокон материал обладает высокой прочностью. Для сдвига одной части куска в продольном направлении относительно другой необходима намного меньшая сила. Любой процесс пластической деформации развивается только за счет наличия касательных напряжений. При дальнейшей осадке возникают касательные напряжения, направленные вдоль волокон. По границам зерен будут появляться трещины. Параметр а нарушается, но он задает все физико-химические свойства. Комплексное изменение всех свойств в результате холодной пластической деформации называется наклепом. Для цели устранения наклепа проводится рекристаллизационный отжиг при температуре Т≥0,4 Тпл. Для сталей Т≈400-6800 Под действием температур появляется большое количество центров рекристаллизации, вокруг каждого центра растут зерна до столкновения друг с другом. Так как этих центров много, зерно измельчается, теряется его упорядоченность, исчезает волокнистая структура. Одновременно восстанавливается кристаллическая решетка. Чем меньше зерно, тем выше пластичность. Вывод: при проведении холодной пластической деформации с большими степенями этой деформации необходимо обязательно назначать промежуточные рекристаллизационные отжиги. Рекристаллизационный отжиг используется только в процессе холодной пластической деформации. Разновидностью отжига 1-го рода является гомогенизирующий отжиг. Он способствует получению однородной структуры. Гомогенизирующий отжиг обычно назначается для устранения недостатков литой структуры. Любая кристаллическая структура характеризуется наличием дрендритов. Их наличие приводит к резкому снижению ударной вязкости и пластичности. Чтобы увеличить удельную вязкость, необходимо древовидную форму кристаллов перевести в кристаллическую, но при высоких температурах. Гомогенизирующий отжиг проводится при температурах на 150÷200 ниже линии- солидус. Обычно – при температуре 10000С. Но при такой температуре увеличиваются размеры зерен, ниже удельная вязкость и пластичность. Гомогенизирующий отжиг явля6ется предварительным. После него необходимо провести нормальный отжиг. В процессе нагрева материал пересекает 2 линии фазовых превращений, но в процессе гомогенизации отжига они не имеют значений, и этот отжиг относится к отжигу первого рода. Отжиг второго рода. Проводится при температуре нагревания выше линии фазовых превращений. Цели: 1. полностью снять внутренние термические напряжения, которые появляются в результате закалки или отпуска. 2. улучшить обрабатываемость резанием. При отжиге 2-го рода существенное влияние оказывают фазовые превращения. 1. сжатие внутреннего термического напряжения после закалки с последующим отпуском. Если была поведена нормальная закалка с последующим низким отпуском, появилась структура мартенсит отпущенный. При температуре нагревания больше 7270 Мотп →А Для стабилизации получаемых структур требуется длительная выдержка. После выдержки проводится медленное охлаждение вместе с печью. Так как υохл – очень мала, превращение наступает при температуре, близкой к 727. В результате такого превращения А→П. Для эвтектоидных сталей в результате очень медленного охлаждения Зерна такого перлита – крупные, сам перлит – грубопластинчатый. Чем крупнее зерно и толще пластина тем ниже пластичность и ударная вязкость. неполный отжиг. Феррит или цементит выделяется в виде тонкой сетки. Под микроскопом: Структуры после неполного отжига обладают более высокими характеристиками с позиции обрабатываемости резанием. Для эвтектоидных сталей наличие сетки цементита приводит к снижению обрабатываемости резанием. Для повышения обрабатываемости резанием примеряют сфероидизирующий отжиг, или отжиг на зернистый перлит. Под микроскопом – очень мелкие зерна, приближающиеся к сферической форме. Пластинчатый П – в результате очень медленного охлаждения, зернистый – в результате быстрого охлаждения ( охлаждения на спокойном воздухе). Превращения те же самые, но результат другой. Если после отжига охлаждение проводится на спокойном воздухе, такой вид термообработки называется нормализацией. В результате нормализации измельчается зерно, повышается пластичность, ударная вязкость, улучшается обрабатываемость резанием. Эта структура обладает максимальной пластичностью, высокой ударной вязкостью, но обрабатываемость резанием невысока. Материал будет налипать на режущую кромку инструмента, геометрия этого инструмента – ухудшается. Это приводит к ухудшению качества обработанной поверхности. Полный отжиг для доэвтектических сталей назначается для проведения холодной пластической деформации. 3.2 Практические способы закалки. 1) Простая или одинарная закалка (во всех справочниках). Такая закалка – в одной охлаждающей среде. Охлаждение в такой охл. среде – непрерывное. Vохл.д.б.>Vкр.з. Для выбора охл. среды необходимо знать… Достоинство способа: ◦ Простой не требующий использования высококвалифицированного труда; ◦ Позволяет получать изделия с низкой себестоимостью; ◦ Высокопроизводительный спос.; ◦ Для закалки детали требуется одно нагревательное устройство и 1 … с охл. средой. Недостатки: высокая скорость охлаждения. Нельзя подвергать детали сложной конфигурации. 2) Прерывистая закалка. (закалка в двух охлажденных средах) Так как 2 охлаждающие среды, вектор скорости охлаждения – ломаная линия. Из графика: первоначальное охлаждение проводится в более сильной среде, завершается – в более слабой среде. Более слабая – масло. Более сильная – вода. Достоинства: за счет увеличения продолжительности охлаждения уменьшается внутреннее напряжение, как следствие можно проводить закалку детали более сложной конфигурации, чем в 1-м варианте. Недостатки: способ требует применения высококвалифицированного труда. Смысл: определение момента переноса детали из одной ванны в другую. Обычно момент при t=500…5500С. При t=500…5500С на охлажденной поверхности очень интенсивный процесс парообразования, деталь начинает вибрировать. В связи с увеличением общей продолжительности охлаждения снижается производительность. Способ требует использования двух ванн. 3) Ступенчатая закалка. Это разновидность первичной закалки. В этом варианте – обе среды слабые. 1-я – расплав легкоплавких солей с температурой плавления = 270…2800С. 2-я среда – спокойный воздух. Деталь нагревается до требуемых закалочных температур, а затем погружается в расплав, t детали падает, и затем приобретает t сплава. При этой температуре – выдержка, но чтобы вектор не не пересекал границу превращения. Достоинства: из-за значительного увеличения продолжительности охлаждения уменьшаются внутренние напряжения. Недостатки: не все стали можно подвергать этому способу. Ему подвергаются только те стали, у которых υкр.з не больше 40 град.(обычно стали с высокой концентрацией W и М0); Требуется 2 нагревательных устройства: 1-для получения высоких закалочных температур, 2-для расплавления соли. 4) Изотермическая закалка. Изотермическая закалка – разновидность ступенчатой. Время выдержки в расплаве увеличивается таким образом, чтобы полностью прошли диффузионные превращения и отсутствовали мартекситные силы. Продуктом закалки будет являться бейнит. Бейнит – ультрамелкодисперсная структура. Нет внутренних напряжений после закалки, отпуск не нужен. Отсутствие внутреннего напряжения позволяет проводить закалку детали весьма сложной конфигурации. Недостатки – как у ступенчатой закалки, только в более резкой форме. 3.3 Основные дефекты при термообработке и способы их устранения Основные дефекты, возникающие в процессе термической обработки, их причины и способы устранения. I. Наиболее распространен дефект – пятнистость. Причины: 1. недостаточная высота нагрева, в результате чего не весь П→А и остается избыточная фаза, резко отличающаяся поHRC от М следовательно в различных участках поверхности резко отличающаяся HRCю Способ устранения: деталь необходимо вновь подвергнуть закалке, но с более высокой Т. 2. недостаточная продолжительность выдержки, то есть структура по сечению А зерен на момент быстрого охлаждения была неоднородной, чем больше %С, тем больше HRC, если С меньше0,3%, то нет закалки. Способ устранения: вновь подвергнуть деталь закалке с нормальной Т нагрева, после продолжительной выдержки. 3. неправильный процесс охлаждения. Смысл: деталь в процессе закалки помещена в ванну с охлажденной средой. В процессе охлаждения на поверхности может появится какой-то паровой пузырь, но у газа СV меньше, чему жидкости. У газа ниже теплопроводность следовательно ниже скорость охлаждения. Может υохл. Оказаться ниже υкр закалки, но при υохл начнут проходить диффузионные превращения и М может не выделиться или частично выделиться следовательно HRC не неоднородна. Способы борьбы: в процессе охлаждения детали ее необходимо интенсивно перемешать хаотическими движениями по объему ванны. Происходит сброс парового пузыря. II. Поводки, трещины, коробления. Поводки и коробления – характеризуются тем, что деталь меняет свою форму, происходит искривление оси, появляется спиральность, горбы и т.п. конфигурация детали нарушается. Причины: неправильное охлаждение. Смысл: деталь с удлиненной осью помещают под углом α в ванну с охлаждающей средой. В процессе быстрого охлаждения напряжение увеличивается, запас прочности уменьшается. На копоольной части в клещах действует сила G собственного веса, в результате ось будет искривляться. Детали с удлиненной осью помещают в охлажденную среду строго вертикально, причем более массивной частью вниз. При таком способе охлаждения менее массивная часть закалиться, а более массивная часть еще будет охлаждаться. Следовательно возникнут σ внутри не равномерно, но более массивные начинают раньше охлаждаться, чем тонкая- выравнивание. Трещины: горячие, которые появляются в момент охлаждения. Холодные, которые появляются в процессе обработки или эксплуатации. Детали, у которых появляются трещины, считаются браком и исправлению не подлежат. Причины: 1. неправильное конструирование деталей (резкий переход от одного сечения к другому). Угол 900 – всегда концентрация высокого внутреннего напряжения, но могут быть больше σпред или меньше. Если больше, горячая трещина, если меньше, в процессе эксплуатации или обработки – холодная трещина. Чтобы избежать этого при переходе от одного сечения к другому необходимо скруглять с помощью R. На сферических поверхностях σвнут не концентрируется. Если поверхности не нужны, в процессе обработки они устраняются. III.обезуглероженный слой. Влияние: HRC по всей поверхности оказывается очень низкой, хотя все режимы выполнялись правильно. Следовательно в поверхностном слое произошел процесс обезуглероживания. А он происходит всегда когда нагрев производится в печах с окислительном нагревом, причем Т нагрева и Т выдержки – увеличены. Элементы окислительной атмосферы: Н2О пар,СО2, сернистый газ. Во всех случаях О2: 2Fe+O2→2FeO Она появляется на поверхности детали и представляет собой основной компонент окалины. Кроме железа есть еще и углерод следовательно дальше начинается реакция: FeO+C→Fe+CO-угарный газ Углерод покидает сталь с СО следовательно на поверхности получается чистое железо, но без углерода следовательно процесс обезуглероживания поверхности. Способ устранения: исправить недостаток невозможно. Сдать на металлолом. Цементация- трудоемкий процесс и нужно знать С% в поверхностном слое Способы: в тех случаях, когда требуется возрастание температуры нагревания под закалку, длительная выдержка или при использовании легированной стали в состав которой вводят элементы, увеличивающие склонность к обезуглероживанию. В таких случаях нужно использовать безокислительный нагрев в специальных печах с безокислительной контролирующей атмосферой (печи с контролирующем эндогазом). Контроль автоматический. С помощью специальных анализаторов, где поддерживается баланс Н2/Н2О и СО/СО2 на заданном уровне. Печи сложные, дорогостоящие и на мелком производстве используются печи где нагрев деталей происходит в расплавляемых солях и процесс окисления невозможен. Очень часто дефекты происходят в процессе отпуска. Но современное оборудование оснащается контрольным оборудованием и самописцами, авторегуляторами и прочем. По диаграмме контроля смотрят на нарушение технологических процессов. Пример 1. закалку проводят с норм. температур после нормальной выдержки с последующем отпуском, однако оказалась НВ в готовой детали ниже нормы. В данном случае температура отпуска была завышена. Дефект поправимый: деталь вновь подвергнуть закалке при тех же режимах, но отпуск провести при более низких температурах. Принцип: чем ниже Тот, тем больше HRC. Пример 2. деталь подвергается закалке с нормальной температурой при нормальной выдержке с последующим отпуском, но НВ в готовой детали оказался выше нормы. Стало быть причина в отпуске, температура отпуска была занижена. Еще дефект,, который происходит в процессе отпуска при всех правильных режимах, но деталь в процессе эксплуатации ломается следовательно причины в режимах отпуска. Чаще всего причиной является неправильное охлаждение после отпуска. Чаще всего при охлаждении после Топт=4000/с возникает отпускная хрупкость. Нужно усилить охлажденную среду. Большую информацию о причинах дает изучение поверхности излома. Этим занимается специальные разделы материаловедения – фрактография. Или невооруженным глазом при увеличении ≤30 раз. По поверхности излома делятся на 3 типа: 1. крупнозернистые поверхности (косые изломы, с отчетливо выступающими бугорками…). Этот излом происходит когда деталь при закалке была перегрета (чем больше Т зак тем больше dз) следовательно (разрушение). 2. мелкозернистая структура, поверхность излома или перпендикулярна к оси детали, или очень близка к нему. Они говорят о том, что термообработка выполнена правильно в процессе эксплуатации детали допущены чрезмерные нагрузки. 3. усталостные изломы (на поверхности наблюдается 2 зоны). Одна без видимой зернистости (зерна замазаны), ≈10÷20% сечения, а остальная часть поверхности крупнозернистая, или среднезернистая. Следовательно виновники – представители металлургического завода. Так как в сечении детали находилась несплоненность (газовая раковина, шлаковая, или флокины –раковины типа волосин, заполненные Н2). В них концентрации высоки, внутренние напряжения всегда, особенно при работе при знакопеременных нагрузках. И дефект начинает разрастаться. Несплошность возрастает, а сечение сокращается до lкр, после чего происходит хрупкое разрушение. Как избавиться: если деталь ответного назначения, то есть поломка→жертвы, перед монтажом детали проводят рентгеноконтроль. Если она неответственная деталь и небольшие затраты, контроля нет. По излому можно установить, на какой стадии обработки произошел излом. Если поверхность темно матовая, окисленная следовательно излом появился при высоких температурах (процесс охлаждения при закалке). Если поверхность блестящая – излом появился в процессе механической обработки. Или эксплуатации при обычных температурах. Кто виноват и почему можно всегда определить исходя из вышеперечисленного. Иногда используются металлографические способы. В любом случае поверхность которая подвергается металлографическому анализу сначала шлифуется, затем полируется до зеркального состояния. Затем производят травление в специальных реактивах. Реактив выбирается таким образом, чтобы действие на границе зерен в первую очередь, затем вступает в реакцию с самой поверхностью. Затем устанавливают в металлографический микроскоп, который работает в отраженном свете. Микроскоп различает цветные и темные пятна. А по совокупности темных и светлых пятен, по характеру их распределения в поле зрения по степени черноты человек определяет тип структуры, например твердые растворы -светлая поверхность, а механические смеси характеризуются более темным оттенком, мелкозернистые – темный цвет. По световым оттенкам, по форме зерен судят о структуре. Но любое светлое пятно – зерно, темное -яма. 3.3 Химико-термическая обработка – цементация, азотирование, диффузионная металлизация. 3.4 Контрольные вопросы 1. Виды термообработки сталей – закалка, отпуск, отжиг. 2. Закалка сталей – цели, сущность. 3. Область нагрева сталей под закалку. 4. Влияние времени выдержки на результаты закалки. 5. Влияние скорости охлаждения на результаты закалки. 6. Понятие о критической скорости закалки. 7. Характеристика охлаждающих сред. 8. Отпуск. Определение, сущность. 9. Классификация видов отпуска. 10. Влияние скорости охлаждения на результаты отпуска. 11. Отжиг. Определение, сущность, разновидности. 12. Практические способы закалки. 13. Основные дефекты при термообработке, их причины и способы устранения. 14. Химико-термическая обработка – цементация, азотирование, диффузионная металлизация Литература к Модулю 3. 1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил. 2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.: ил. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для втузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.: илл. 4. Материаловедение: практикум / В.И. Городниченко, Б.Ю. Давиденко, В.А. Исаев и др.; Под ред. С.В. Ржевской. - М.: Логос, 2004. – 272 с. 5. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: Учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 768 с.: илл. 6. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учебник для втузов. – М.: Металлургия, 1989. – 382 с.: илл. 7. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебник для техн. вузов. - 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1991. – 447 с.: илл. 8. Черепахин А.А. Материаловедение: Учеб. для студ. учр. сред. проф. образ-я. – М.: ИЦ «Академия», 2004. – 256 с., илл. 9. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 256 с. – илл. 10. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1978. – 295 с.: илл. 11. Ассонов А.Д. Основные сведения о металловедении и термической обработке. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1972. – 109 с.: илл. 12. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.: илл. 13. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Металлургия, 1981. – 414 с.: илл. 14. Колачев Б.А., Габидуллин Р.М., Гигузов О.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1980 – 279 с.: илл. 15. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для металлург. спец. вузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Металлургия, 1983. – 359 с. 16. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник: В 3-х т. / Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991. 17. Закалочные среды: Справочное издание Люты В.; Под ред. С.Б. Масленкова / Пер. с польск. – Челябинск: Металлургия, Челябинское отд-ние, 1990 – 192 с. 18. Гринберг Б.Г., Иващенко Т.М. Лабораторный практикум по металловедению и термической обработке: Пособие для мех. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1968. – 320 с. Модуль 4. Классификация и маркировка сплавов. Назначение и характеристика материалов 4.1 Классификация, принципы маркировки и общее назначение стали Сталь является самым распространенным материалом в мировой практике. Стали – железоуглеродистые сплавы с концентрацией С не более 2,14%. Признаки классификации. 1. По составу: а) углеродистые – такие стали, в составе которых кроме железа и углерода находятся постоянные примеси: Mn = 0,5…0,8%; Si = 0.17…0.35%; S, P = до 0,005%. б) легированные – такие стали, в составе которых кроме постоянных примесей находятся элементы не свойственные С-сталям или элементы свойственные С-сталям но в большом кол-ве: +Cr – хромистая сталь; +Cr + Ni – хромоникелевая сталь; 2% Si – кремнистая сталь. Отличительные признаки углеродных сталей по маркировке: Марка углеродных сталей может начинаться с прописной буквы А, за которой сразу же идет двухзначная цифра (А20). В начале может стоять У (У8). Может стоять сочетание букв Ст (БСт2пс2). Вначале может стоять двухзначная цифра, за которой или нет символов или может стоять одиночная прописная буква Г или Л (20; 20Л; 45Г). Отличительные признаки легированных сталей по маркировке: В составе марки могут находиться или серия прописных букв русского алфавита, за которыми могут стоять цифры, но может их не быть; или марка состоит из одной прописной буквы (АС20; 20ХНР; 20Х2НЧВА; ХВСГ; Х) 2. По назначению: 1) Конструкционные – идут для изготовления самых разнообразных деталей машин и металлоконструкций. Характерный отличительный признак по маркировке: в начале может стоять А, или в составе может быть Ст, или может начинаться на Ш, или может начинаться с двухзначной цифры (А30; АС30; А20Е; Ст3; 45; 65Г; ШХ15СГ). 2) Инструментальные – стали, идущие на изготовление инструментов: • Слесарномонтажные инструменты: молотки, зубила, гаечные ключи, керны, баротки; • Контрольномерительные: линейки, лекало, шаблоны, пробки; • Режущие: резцы, сверла, зенкеры, развертки, ножовочные полотна; • Штамповые: предназначены для изготовления штампов холодного и горячего деформирования. Характерными отличительными признаками являются: в начале марки может стоять или однозначная цифра или цифры нет; марка может начаться с прописной буквы У или Р или Х (У12А; Р18; Х12М; 7ХФН; ХВСГ) 3) Стали с особыми свойствами – небольшая группа. Характерные признаки: цифр нет. Может начинаться с любой буквы кроме А, Р, Х, Ш (Г13Л; ЕХ9К5; Э35) Примечание: стали с особыми свойствами могут быть только легированными. В остальных могут встречаться как углеродные, так и легированные. 3. По качеству. Примечание: качество любой стали прежде всего определяется наличием вредных примесей – сера, фосфор. а) Обыкновенного качества. • Концентрация серы = 0,035…0,005%; Фосфор = 0,035…0,005%. • В маркировке должно стоять Ст: Ст3, ВСт5сп6. б) Качественные – конц-ия серы = 0,025…0,035%; фосфор = 0,025…0,035%. в) Высококачественные. • Конц-ия S≤0,025% P≤0,025% • В конце марки всегда должна стоять прописная буква А: У8А. Примечание: стали обыкновенного качества могут быть только углеродистыми. Порядок чтения марки стали 12ХНЗА – легир., конст., высокок-ая. БСт3сп2 – углерод.., конструкц., обыкнов. 1. по составу. 2. по назначению. 3. по качеству. 4. чтение записи. 5. дополнительная информация. 4.1.1 Принцип маркировки углеродных конструкционных сталей обыкновенного качества. ГОСТ 380-… Примечание: любой элемент в принципе маркировке заключенные в квадратные скобки является не обязательным. Может начаться с прописной буквы русского алфавита. Затем буквенный символ Ст, далее должна стоять одиночная цифра,  могут идти две строчные буквы, но может их не быть. В конце марки иногда ставится однозначная цифра. [буква] – указывает на границу стали или на характер поставки стали с металлургич. завода на машиностроение: А – стали поставляются только по механическим свойствам. Химический состав для этих сталей не регламентируется. Стали категорически запрещается подвергать какой бы то ни было тепловой обработке (ковке, горячей штамповке, сварке, термической или химикотермической обработки, нельзя получать отливки). Связано с тем, что при любой тепловой обработке существенно меняется структура стали. Допускается холодная механическая обработка, резание, холодная листовая штамповка. Б – стали поставляющиеся только по химическому составу. Стали можно подвергать тепловой обработке, но только после установления точной концентрации углерода. Она оказывает существенное виляние на режимы тепловой обработки. Если нет точной информации о конц. С, то стали группы Б лучше для тепловой обработки не использовать. В (мостостроительные стали) – обладают хорошей свариваемостью и идут для различных сварных металлоконструкций (фермы, опоры, детали, работающие в условиях не связанных с агрессивными средствами). Примечание: 1) если сталь группы А – буква в начале марки не ставится. Любая другая буква должна быть обозначена. 2) стали гр. В постав-ся одновременно и по механическим свойствам и по химическому составу. Ст – сталь. [Цифра] – порядковый номер стали. – 1,2,3…6. С возрастанием порядкового номера увеличивается прочность стали, ее твердость, ударная вязкость, ухудшается свариваемость. С возрастанием номера увеличивается конц. С. [2 буквы] – степень раскисления – дают качественную характеристику о количестве в стали закиси Fe. Играет положительную и отрицательную роль. Раскислением называется процесс удаления из стали закиси Fe. Для этой цели в жидкую сталь вводят специальные элементы, у которых степень сродства к кислороду значительно больше, чем у железа. Закон Генри: отношение концентрации одного и того же вещества, но находящегося в различных фазах всегда величина постоянная. В процессе производства стали у нас образ-ся закись железа которая находится одновременно и в шлаке и в металле. Отношение в шлаковой фазе к конц-ии железа в металлической фазе: Воздействуют кремний, марганец, алюминий. В обозначении допускаются 3 варианта: КП – сталь кипящая, раскисление стали не провод., в стали много закиси Fe, обладают хорошей пластичностью при комнатной температуре; у кипящей стали очень высокий порог хладноломкотси – это такая минимальная допустимая температура ниже которой сталь переходит в хрупкое состояние  кипящую сталь категорически запрещается использовать для деталей работающих в условиях ударных, знакопеременных вибрационных нагрузках, в условиях Сибири и Крайнего Севера. СП – сталь спокойная. Раскисление проведено полностью, закиси железа нет. Обладают меньшей пластичностью при комнатной температуре, но порог хладноломкости может доходить до -40˚С. ПС – полуспокойная сталь. Раскисление проводилось, но до конца проведено не было, в стали остаточное количество закиси железа. Примечание: если сталь спокойная буквы СП в мааре как правило не ставятся. [Цифра] – категория стали. – указывает сколько параметров и каких конкретно стандарт разрешает контролировать в данной марке. Примечание: если сталь первой категории – цифра в конце марки не ставится. Любая другая должна быть указана. Ст3 – углеродистая, конст., обыкновенного качества, гр. А, порядковый номер 3, спокойная, первой категории (контр. механические свойства предел прочности при растяжении). БСт4пс2 – углеродистая, конст., обыкновенного качества, гр. Б с порядковым номером 4, полуспокойная, второй категории (контрол-ся только концентрация углерода и марганца). 4.1.2 Принцип маркировки углеродистых конструкционных сталей качественных ГОСТ 1050-… [Ц/Ц] – указывает на среднюю концентрацию углерода в сотых долях %. (08; 10; 15; 20…; 90). [2 буквы] – указывают на степень раскисления. [Г] – повышение марганца. Если отсутствует, то содержание марганца нормальное. [Л] – сталь литейная и заготовки можно получить с помощью литья. Если Л отсутствует, то сталь деформируемая. Заготовки из нее можно получать только методом пластической деформации. Дополнительная классификация углеродных конструк. сталей качественных по назначению. 1. Стали с 08 по 25 – цементуемые стали. Упрочнение таких сталей возможно только методом химико-термической обработки - цементацией. Особенность: из-за малой концентрации углерода их не возможно закалить  такие стали предварительно подвергаются цементации, в процессе которой в поверхностном слое детали повышается концентрация углерода до 0,8% при этом концентрация углерода в сердцевине остается не изменой. После закалки поверхностного слоя возникает его высокая твердость, высокая износостойкость, а сердцевина продолжает сохранять вязкость и пластичность.  цементируемые детали используются для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного трения сопровождаемого повышенными изгибающ-ми и крутящими напряжениями. 2. Стали марок с 30 по 55 – улучшаемые стали. Самые распространенные конструкции сталей. Упрочнение таких сталей возможно только методом термической обработки, называемой улучшением. Достоинства: упрощается процесс упрочнения. Вместе с тем, в результате такой обработки, как правило, деталь закаливается на все сечение, в результате чего пластичность и ударная вязкость сердцевины снижается. Стали можно использовать для изготовления деталей, работающих в условиях сильного трения, но при отсутствии значительных изгибающих нагрузок и крутящих моментов. 3. Стали с 55 по 65 – рессорно-пружинные стали. Идут для изготовления самых разнообразных упругих элементов (рессоры, пружины, торсионные валы, мембраны, сильфоны, диаграммы…). 4. Стали с 70 по 90 – рельсовые стали. Особенность сталей в зависимости от изменения концентрации углерода. Чем выше, тем выше ее прочность, твердость, но тем ниже пластичность и ударная вязкость. Наилучшей пластичностью обладают: ◦ Цементуемые стали. Из таких сталей рекомендуется изготавливать различные емкости, сосуды, в том числе работающие под давлением, но при отсутствии трения. Стали обладают хорошей свариваемостью, но ухудшенной обрабатываемостью резанием. При обработки резанием таких сталей обр-ся бесконечная сливная стружка. Она навивается на режущий инструмент, на обрабатываемую деталь, что ухудшает качество обработки и точность получаемых размеров. ◦ Улучшаемые стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием. У них повышен предел прочности, повышена твердость, но снижена пластичность. Свариваемость таких сталей удовлетворительная. ◦ Рессорно-пружинистые стали. Особенности: обладают самим высоким пределом упругости, однако ухудшается обрабатываемость резанием. Свариваемость пониженная. ◦ Рельсовые стали обладают наибольшим пределом прочности, высокой твердостью, высокой износостойкостью. Обрабатываемость резанием плохая, свариваемость плохая. 4.1.3 Принцип маркировки углеродистых инструментальных сталей ГОСТ 1435-… У[Ц][Ц][Г][А] [Ц][Ц] – указывает на среднюю концентрацию углерода в десятых долях % (7,8,9,…,13). [А] – сталь высококачественная. Если отсутствует, то сталь не качественная. Особенности: обладают высокой твердостью получаемой в результате закалки, но у них малая глубина прокаливания – не превышает 10-12 мм. Однако к любому инструменту предъявляются требования обязательной сквозной закалки, т.е. закаленная структура должна располагаться по всему сечению и иметь однородную твердость (на поверхности и в сердцевине). После закалки инструмента в сердцевине не должно наблюдаться сырых не закаленных пятен. Недостаток: ограниченный размер инструмента по сечению. Он не должен превышать 20-24 мм, т.е. это инструменты небольшого сечения. 4.1.4 Принцип маркировки легированных сталей {[Ц][Ц]}{Буква}{[Ц][Ц][Ц]}{Буква[Ц][Ц]}..[А][Л] Если в начале марки стоит двухзначная цифра, она говорит о том, что концентрация углерода определяется в сотых долях %. Если первая цифра – указывает на десятые доли % углерода. Если никакой цифры нет – конц. углерода менее 1%. Любая прописная буква указывает на принадлежность стали к той или иной группе по назначению, по технологическим признакам, или указывает на присутствие в стали того или иного легирующего элемента. Если за Б стоит одно- или двухзначная цифра – указывает на конц. данного легир. элемента в целых единицах %. Если за Б стоит трехзначная цифра – указывает на порядковый номер стали. Если за Б никакой цифры нет – конц. легир. элемента не более 1%. Значение букв входящих в состав марок легированных сталей А – три значения в зависимости от место расположения марки. а) в начале- ни какой элемент не расшифровывает. Указывает на значение стали – сталь автоматная (предназначена для обработки резанием на станках автоматах) в автоматных сталях очень высокая концентрация серы и фосфора, доходит до 150-180 тыс%. это вызвано тем, что при обработке резанием образуется хрупкое мелкоэлементная стружка, которая легко удаляется из зоны резания. Сера и фосфор являются вредными примесями и чем больше этих элементов, тем хуже качество стали.(все автоматные стали очень хрупкие. Их нельзя использовать для деталей работающих при высоких нагрузках в режиме ударов). Преимущества: качество обработанной поверхности очень высокое. б) в конце- ни какой элемент не расшифровывает. Указывает на очень низкую концентрацию серы и фосфора. Сталь высококачественная. в) в середине – указывает на присутствие в качестве легирующего элемента – азота. Б – в сталь введен ниобий. В – вольфрам. Г – марганец. Д – медь. Е – А) в начале: она не с каким элементом не связана. Говорит о том, что сталь с особыми электромагнитными свойствами. Б) в конце: присутствие в качестве легирующего элемента селена. К – кобальт. Л – стоит только в конце марки, с элементом не связана, говорит, что сталь литейная. М – молибден. Н – никель. П – фосфор. Р – А) в начале: не с каким элементом не связана. Сталь инструментальная, быстро режущая. Примечания: 1. цифра стоящая за буквой Р указывает на концентрацию вольфрама в целых единицах. 2. если в начале марки быстрорежущей стали нет ни какой цифры, то концентрация углерода в стали 0,7-0,9% 3.если в начале марки двухзначная цифра – указывает на концентрацию углерода в десятых долях %. Б) в конце: присутствие в качестве легирующего элемента бора. С – в подавляющем большинстве случаев указывает, что в качестве легирующего элемента присутствует кремний. Если эта буква будет присутствовать в марке автоматной стали, то она указывает на наличие свинца. Т – титан. Ф – ванадий. Х – хром. Ц – цирконий. Ш – может стоять только в начале марки. Элемент не расшифровывает. Указывает на назначение стали. Данная сталь относится к группе подшипниковых сталей. Примечание: цифра стоящая после хрома указывает на среднюю концентрацию этого элемента в десятых долях %. Э – два значения и в обоих случаях стоит в начале марки. А) если после буквы двухзначная цифра – она ни какой элемент не расшифровывает, говорит о том, что сталь с особыми электротехническими свойствами, а цифра указывает на среднюю концентрацию кремния в десятых долях%. Примечание: в начале марки цифр нет – концентрация углерода в электра – технических сталях не превышает 0,1%. Чем ниже концентрация углерода и чем выше концентрация кремния, тем меньше потеря при перемагничивании. Б)если после трехзначная цифра – ник какой элемент не расшифровывает. Данная сталь экспериментальная. Цифра показывает порядковый номер стали в журнале того завода где она впервые была выпущена. (экспериментальная сталь полученная на московском заводе электросталь №412). Ю – алюминий. Дополнительная классификация легированных конструкционных сталей по назначению. 1. цементуемые. Характерный признак: концентрация углерода 0,1-0,3% и обязательно присутствие хрома. 2. строительные. Идут для изготовления сварных металлоконструкций. А) котельные: изготовление сосудов работающих под давлением. С=0,25% Б) арматурные: изготовление железобетонных конструкции. С=0,1…0,35%. Обязательно присутствие кремния или марганца или их смеси. 3. улучшаемые. С=0,3…0,5%. Обязательно присутствие хрома. 4. рессорно–пружинные. С=0,5…0,65%. Обязательно присутствие кремния. Вместо кремния могут быть (Cr+V), (Cr+V+Mn),(Cr+Mn)/ 5. подшипниковые. С=0,95…1,15%. Обязательно присутствие хрома. Марка обязательно начинается с Ш. 6. корозионно –стойкие (не ржавеющие) С=0,03…1,5%. Хром больше 13%. 7. жаропрочные. А) низкоуглеродные стали. Углерода менее 0,3%. Обязателен Мо. Б) среднеуглеродные стали. С=0,3-0,5%. 4.2 Классификация, принципы маркировки и назначение чугунов Чугунами называется железоуглеродные сплавы с концентрацией углерода свыше 2,14%. Особенностью является то, что углерод в них может находится в двух состояниях или в кинетически связанном в виде карбида железа Fe3C – цемент или в свободном атомарном состоянии в виде графита. Чугуны в которых весь углерод находится в виде цементита получили название белых чугунов. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде графита получили название серых чугунов. Белые чугуны. Особенность: углерод находится в химически связанном состоянии, а любое химическое соединение как тип связи характеризуется максимальной твердостью, но минимальной пластичностью. Следовательно белые чугуны очень хрупкий материал. Они очень плохо работают при ударных и изгибающих нагрузках, у них очень низкая ударная вязкость. Вместе с тем обладают очень высокой износостойкостью. Обладают достаточно хорошей прочностью в условиях статического растяжения особенно сжатия. На белые чугуны требования гос стандарта не распространяются и они не маркируются. Области применения весьма ограничены. Из них рекомендуют изготавливать детали работающих в условиях сильного истирания, но при отсутствии ударных и изгибающих нагрузок (изготовление различных мельничных волнов (для помола) (для плющевания злаков культур)). Серые чугуны. Особенности: графит у них нах-ся в виде пластин. Однако в зависимости от условий кристаллизации и охлаждения форма пластин может быть различной. Классификация серых чугунов по форме графитовых включений. 1 тип. Чугуны с криволинейными, хаотически расположенными пластинами графита. Под микроскопом. Увеличение в 300 раз. Наиболее распространенная форма. Образуется в рез-те медленного охлаждения, как при первичных, так и при вторичных кристаллизациях. Характерны для массивных чугунных отливок. 2 тип. Чугуны с розеточным графитом (из центра кристаллизации расходятся тонкие линии графита) Образуется в результате ускоренного охлаждения при первичной и вторичной кристаллизации. Его можно встретить в тонкостенном чугунном литье. 3 тип. Чугуны междендритным граф. Образуется в результате ускоренного охлаждения при первичной кристаллизации и медленного охлаждения при вторичной. Такие пластины характерны для чугунов которые длительное время работали при высоких температурах (различная печная арматура). 4 тип. Чугуны массивными прямолинейными пластинами графита. Образуется в результате очень медленного охлаждения, как при первичной, так и при вторичной кристаллизации. Кроме этого такой графит образуется в чугунных отливках в которых концентрация углерода превышает 4,3%. Оценка качества серых чугунов по форме графитовых включений. Примечание: любое графитовое включение в чугунах следует рассматривать как обычную трещину или раковину. Это связано с тем, что прочность графита и прочность металлической основы не сопоставима друг с другом. Чем меньше в чугуне графитовых пластин, чем они тоньше и чем криволинейнее, тем выше качества серого чугуна и выше его прочность. 4.2.1 Классификация и маркировка серых чугунов Классификация серых чугунов по структуре металлической основы. 1. Чугуны на ферритной основе. Металлическую основу составляют светлые полигональные, хаотически расположенные зерна феррита. При комнатной температуре углерода в феррите не более 0,006%. Весь углерод находится в виде графита. Образуется в результате медленного охлаждения при первичной и вторичной кристаллизации. 2. Чугуны на перлитной основе. В составе перлита находится цементит. На долю свободного углерода остаются меньшие площади, поэтому пластины графита здесь значительно толще. Образуется в результате медленного охлаждения при первичной кристаллизации и ускоренного охлаждения при вторичной кристаллизации. 3. Чугуны на феррита – перлитной основе. Металлическую основу представляют чередующиеся светлые зерна феррита и темные зерна перлита. Условие образования промежуточное по сравнению с ферритными и перлитными чугунами, т.е скорость охлаждения несколько выше чем для ферритного и несколько ниже чем для перлитного. Пластина графита несколько тоньше чем для ферритного, но несколько тоньше для перлитного. Оценка качества серых чугунов по структуре металлической основы. Оценка связана с типом сплавов. Чем больше в структуре перлита, тем тоньше пластины графита, тем выше прочность чугуна. Самые малопрочные 1  2  3. Принцип маркировки серых чугунов. Распространены С412, С415. Все серые чугуны относятся к материалам с невысоким пределом прочности. Причина пониженной прочности заключается в форме графитовых включений. Любая графитовая пластина заканчивается острой кромкой, а на острых кромках концентрируется высокие внутренние напряжения. Любой элемент в структуре сплавов можно рассматривать как сильно конденсированную систему на которую распространяются закон Паскаля. Под действием большой кач-ке материал не выдерживается и разрушается. Способы повышения прочности и пластичности серых чугунов. Для увеличения предела прочности необходимо изменить форму графитовых включений то есть устранить серые кромки. 2 способа: 1. Получение чугунов с хлопьевидным графитом. Чугуны в которых графит имеет хлопьевидную форму получили название ковких чугунов. Они получаются путем длительного отжига при высоко й температуре низкоуглеродного белого чугуна с концентрацией углерода не более 2.5%. Отжиг проводится при температуре 1050-11000С, а выдержка при отжиге доходит до ста часов. В результате такой термической обработки цементит находится в белых чугунах разлагается с образованием графита имеющего вид хлопьев. Различают 2 типа ковких чугунов. А) ковкий чугун на ферритной основе (черно-сердечный ковкий чугун). Б) ковкие чугуны на ферритно-перлитной или перлитной основе (бело-сердечные ковкие чугуны). Свойства ковких чугунов. Графит имеет хлопьевидную форму но в основе по прежнему лежит пластика. Хлопьевидный графит способен гасить импульс ударной нагрузки (энергию удара). Ковкие чугуны могут воспринимать ударные нагрузки. Чем выше ударная вязкость, тем выше пластичность. 4.2.2 Принцип маркировки ковких чугунов КЧ [Ц]Ц[] – [Ц][Ц] 1 2 1 – характеризует предел прочности при растяжении, σВ кг/мм2; 2 – показатель пластичности по относительному удлинению, δ %. КЧ37-12 – ковкий чугун с пределом прочности 37 кг/ мм2 и относительным удлинением 12%. Примечание: 1) Наибольшая эффективность от хлопьевидного графита достигается в тонкостенном литье. 2) По правилам техники безопасности и охраны труда ковкие чугуны категорически запрещается ковать, т.к. для осуществления ковки пластичность материала по относительному удлинению должна быть не ниже 20%. Max δ у ковких чугунов не больше 12%. 2. Получение чугунов с шаровидной формой графита. Такие чугуны получаются методом модифицирования. Сущность метода: в ковком с жидким чугуном непосредственно перед заливкой ее в форму, вводятся специальные порошковые присадки, играющие роль искусственных центров кристаллизации. В результате чего кристаллизация начинается не от стенок литейной формы, а сразу по всему объему этой формы. Но в результате такой кристаллизации формируется графит, форма которого приближается к шаровидной. Обычно это чугуны на Ф-П основе. Свойства: т.к. графит имеет сферическую форму, а на сферических поверхностях внутренняя энергия не концентрируется, следовательно, эти чугуны обладают повышенным пределом прочности. Наибольший эффект от шаровидного графита всегда наблюдается в толстостенном литье (изготавливают валы коленчатые и т.д.), работающие при умеренных нагрузках. Принцип маркировки ВЧ [Ц]Ц[] – [Ц][Ц] Может быть целой и дробной величиной ВЧ66-4,5 – высокопрочностный чугун с прочностью растяжения 66 кг/мм2 и относительным удлинением 4,5 %. 4.3 Классификация, маркировка и назначение цветных металлов и сплавов Цветные металлы и сплавы Все металлы можно разделить на две неравные группы: 1) черные металлы (железо) 2) все остальные металлы. Цветные металлы. Сплавы на базе этих металлов так же делятся на две группы: 1. черные сплавы (стали, чугуны) 2. цветные сплавы (сплавы на основе любого металла кроме железа) Общая классификация цветных сплавов 1 Классификация по основному компоненту Основной компонент такой хим элемент на базе которого построен сплав. Он всегда сооб-ся в начале названия сплава (медные сплавы – осн компонент медь; алюминиевые сплавй – алюминий). Все остальные элнменты входящие в такие стали называют – присадок. 2 Классификация по количеству компонентов 1) Двойные сплавы (состоят из двух компонентов [медь + цинк; Al + Cu]) 2) Тройные сплавы (количество компонентов три [медь – олово – цинк]) 3) Сплавы сложного состава (количество компонентов более трех) 3 Классификация по структуре 1) Однофазные (в структуре находятся чаще всего твердые растворы одного типа [твердый р-р цинка в меди]) 2) Двухфазные (в структуре наб-ся две фазы) [твердый р-р одного типа + тв р-ры другого типа]; [тв р-ры + механическая смесь]; [тв р-р + хим соед-е]; [мех смесь одного типа + мех смесь друг типа]. 3) Многофазные (количество фаз в структуре от трех и более). 4 Классификация по технологическим признакам 1. Деформируемые (обладают хорошей пластичностью, но у них плохие литейные свойства: низкая жидкотекучесть, высокая усадка, повышенная склонность к ликвации) 2. Не упрочняемые термической обработкой, упрочняемые термической обработкой. Общие достоинства цветных сплавов по сравнению с черными заключаются в том, что цветные сплавы обладают набором уникальных физических свойств, которые не присуще черным сплавам (пример: Повышенная коррозионная стойкость высокая электро и теплопроводность, но наряду с ними есть сплавы с очень низкой электропроводностью (реостатные сплавы цветные сплавы в подавляющем большинстве обладают низким коэффициентом трения. Что позволяет изготавливать из них пары трения типа подшипников скольжения. Некоторые цветные сплавы на сегодняшний день являются незаменимыми в атомной энергетике и полиграфии. Общие недостатки: подавляющее большинство цветных сплавов являются дорогостоящими сплавами. 4.3.1 Медные сплавы По химическому составу делятся на две группы: 1) Латуни (сплавы меди с цинком); 2) Бронзы (сплавы меди с оловом или др. элементами). Принципы маркировки двойных деформируемых латуней. Л96, Л92, Л90, Л80, Л70, Л59. Цифра указывает на среднюю концентрацию меди в целых единичных %. В остаток сносят конц-ю Zn. (96% Cu и 4%Zn). Латуни обладают хорошей пластичностью, высокой электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью. Обладают невысокой прочностью, низкой твердостью, плохой обрабатываемостью резанием. В процессе обработки резанием, сплав налипает на режущую кромку инструмента, приваривается к ней, что приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности, снижению точности размеров и к увеличению усилий, затрачиваемых при резании. С увеличением концентрации цинка в таких латунях возрастает предел прочности, твердость, улучшается обрабатываемость резанием, но снижается электро и теплопроводность, коррозионная стойкость. Области применения: учитывая сравнительно высокую электро и теплопроводность, из них изготавливают различные токоведущие элементы, используемые в приборостроении. Изготавливают различные холодильники (напр: радиаторы и рекуператоры). С точки зрения коррозионной стойкости эти латуни можно использовать для изготовления деталей, работающих в слабых агрессивных средах (преимущественно пресная вода). Общие недостатки: 1. Все относятся к категории не упрочняемых сплавов; 2. Очень узкий набор свойств соответствующих конструкционным материалам; 3. Сравнительно высокая стоимость (довольно много меди, а она в России дефицит-й, дорогостоящий металл). С целью расширения свойств латуней в настоящее время широко используются легированные латуни (тройные латуни или латуни сложного состава). Принцип маркировки деформируемых легированных латуней. Л буквы…[Ц][Ц] – ц-и-ф-р-ы……(ост Zn) Количество букв должно = количеству цифр (которые идут через черточку). Двухзначная цифра указывает на конц. меди в целых единичных %. Серия цифр – конц легирующих элементов в порядке записи их после Л. Значения букв в марках медных сплавах. А – алюминий Al, Б – бериллий Be, Ж – железо Fe, К – кремний Si, Мг – магний Mg, Мц – марганец Mn, Н – никель Ni, О – олово Sn, С – свинец Pb, Т – титан Ti, Ф – фосфор Р, Х – хром Cr, Ц – цинк Zn. ЛАЖМц59-3-2-1 – латунь легированная деформированная сложного состава, содержащая 59% Cu, 3%Al – 2% Fe – 1% Mn – 35% Zn. При введении Al, Fe, Mn существенно возрастает прочность, однако коррозионная стойкость невысокая, обрабатываемость резанием пониженная. С целью повышения коррозионной стойкости в латунь вводят олово. ЛО62-2 – тройная латунь, деформированная, состоящая из 62% меди, 2% Sn и 36% Zn. С целью улучшения обрабатываемости резанием в латунь вводят свинец. ЛС59-1 – автоматная латунь, используется при обработке на стан-х автоматах. При введении свинца существенно повышается качество обрабатываемой поверхности, а вместе с этим возрастает точность размеров. Общий недостаток: высокая стоимость. С целью снижения стоимости рекомендуют использовать литейную латунь. Принцип маркировки литейных латуней. ЛЦ[Ц][Ц]буква1[Ц][буква2[Ц]]… (ост Cu) Ц – присутствие Zn; [Ц][Ц] – конц цинка в целых ед.%; буква1 – название легированного элемента; [Ц] – конц легированного элемента. ЛЦ17К3 – латунь тройная литейная содержит 17% цинка, 3% Si, 80% Cu. Такие латуни обладают очень высокой жидкотекучестью, что позволяет делать из них отливки сложной конфигурации, а так же тонкостенные отливки. Снижение стоимости связано не с химическим составом, а с затратами на последовательную механизированную обработку (резко снижается количество операций необходимых при обработке резанием). Принцип маркировки деформируемых оловянистых бронз. Бр буквы…ц-и-ф-р-ы… (ост Cu) Буквы – название легированного элемента; Цифры – конц легированного элемента. БрОЦСН 7-3-2-1 – деформированная оловянистая бронза состоящая из 7% олова, 3% цинка, 2% свинца, 1% никеля. Особенности: с введением олова резко возрастает коррозионная стойкость. Такие бронзы успешно работают как в пресной, так и в морской воде, слабых водных растворах неорганических и органических солей. Недостатки: высокая стоимость. С целью расширения свойств оловянистых бронз, в их состав вводят другие элементы. БрОФ4-0,25 – оловянисто фосфорная бронза. Фосфор вводится с целью повышения σпроч-и и понижения коэффициента трения. Эти бронзы рекомендуют использовать для изготовления различных нажимных устройств (прессы, домкраты). При ведении в бронзу фосфора повышается упругие характеристики сплава. Это позволяет использовать их при изготовлении различных пружин, применяемых в приборостроении. С целью снижения стоимости бронз используют так называемые безоловянистые бронзы. Одно из достоинств этих бронз в том, что они являются наиболее универсальными по технологическим признакам. Их можно использовать в качестве деформирующих и литейных сплавов. Принцип маркировки безоловянистых бронз БрБуква1[Ц][Буква2[Ц]]…(ост медь) БрА7 – алюминиевая бронза, содержащая 7% Al и 93%Cu. При введении алюминия существенно возрастает предел прочности, но вместе с тем сильно снижается коррозионная стойкость. 4.3.2 Алюминиевые сплавы Особенности: алюминий относится к категории легких сплавов. Удельный вес алюминиевых сплавов 2,7 – 2,8 гр/см3. (удельный вес черных сплавов 7,8 гр/см3, удельный вес медных сплавов до 9 гр/см3). - Хорошая коррозионная стойкость, но эта стойкость весьма избирательная. Наилучшую стойкость сплавы проявляют в азотнокислых средах, зато во всех щелочных средах она очень низкая. - Алюминиевые сплавы обладают хорошей электро и теплопроводностью (хотя и уступают медным). Принцип маркировки деформируемых алюминиевых сплавов упрочняемых термообработкой. Дуралюмины (твердые алюминиевые сплавы) Д[Ц][Ц]. цифры указывают на порядковый номер сплава. Д1 – дуралюмин с порядковым номером 1. Особенности: сплавы алюминия с медью – медь способствует повышения прочности. При введении меди резко снижается коррозионная стойкость. Изделия из дуралюмина могут работать только в закрытых сухих помещениях. При работе во влажной среде дуралюмины быстро покрываются… С целью повышения коррозионной стойкости в них вводят кремний. АК[Ц] – алюминиевый сплав ковочный с №. АК4 – алюминиевый сплав ковочный с №4. При введении кремния повышается коррозионная стойкость. Изделия из таких сплавов хорошо работают во влажной среде. Кроме того повышаются показатели упругости. Сплавы типа Д и АК можно упрочнять термической обработкой (изделие подвергается закалки с температурой 450-500˚С в горячей воде). После закалки назначается старение, необходимое для снятия внутренних закалочных напряжений. Старение может быть естественным и искусственным. При естественном закаленную деталь выдерживают в течении 8-10 суток при комнатной температуре. При искусственном старении закаленную деталь нагревают до температуры 120-160˚С и выдерживают 6-8 ч. При искусственном качество выше, чем при естественном. В процессе старения образуются мелкодисперсные механические смеси, которые характеризуются отсутствием внутренних закалочных напряжений, но при этом сохраняется высокая закалочная прочность. Принцип маркировки деформируемых алюминиевых сплавов не упрочняемые термообработкой. АMr[Ц], АМц[Ц] АМц1 – алюминиевомарганцовистый сплав с порядковым №1. Mr способствует повышению коррозионной стойкости. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью, пластичностью. Позволяют изготавливать из них изделия типа различных емкостей, работающих в умеренных агрессивных средах (морская вода, водные растворы неорганических кислот, солей, слабые водные растворы органических кислот и солей). Принцип маркировки литейных алюминиевых сплавов АЛ[Ц][Ц] – алюминиевый сплав литейный с порядковым номером. 1 группа: силумины (Al+Si). АЛ2, АЛ9. Кремний способствует повышению коррозионной стойкости, способствует повышению литейных свойств, повышается жидкотекучесть, уменьшается усадка и степень ликвации. Силумины относятся к хрупким материалам, они плохо работают при ударных нагрузках. С целью повышения ударопрочности вводят медь. АЛ5, АЛ7. Предел прочности повышается, но с введением алюминия резко падает коррозионная стойкость. Лучше их использовать для изготовления деталей, работающих в сухих, в закрытых помещениях. Алюминиевые сплавы. Относится к группе легких металлов, удельный вес чистого алюминия 2,7г/см2, температура плавления чистого алюминия 6,570. Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью, но уступает меди и серебру, но обладает значительно меньшей стоимостью и используется для изготовления токоведущих элементов и изготовления корпусов теплообменных аппаратов. Алюминий обладает хорошей пластичностью, штамповка возможна в холодном состоянии. Недостатком алюминия является его малая прочность. Предел прочности - 8÷10кг/мм2. В зависимости от количества примесей алюминий делится на 3 группы: 1. алюминий особой чистоты. А9999, А999, А995. Цифры указывают количество примесей после запятой. Перед запятой – 99. 99, 9999%Al. 99, 999 2. алюминий высокой частоты. Обычно двузначная цифра. А99 99,99%Al А95 99,95 А 97 99,97 3. технический алюминий. Обычно однозначная цифра. А8 А7 А6 А5 АО 99,8 %Al 99,0 %Al. Первые 2 группы не нашли практического применения из-за очень высокой стоимости. Наиболее распространен технический алюминий. Выпускается технический алюминий в виде листового проката. К маркам А8 иногда добавляют АД-алюминий деформированный. I тип – АДМ – алюминий деформированный мягкий. II тип - АДН – (АДТ) – алюминий деформированный нагартованный (подвергался холодной пластической деформации для образования структуры наклепа). Он характеризуется более высокой твердостью по сравнению с мягким АДТ – твердый. Технический алюминий обладает достаточно хорошей коррозийной стойкостью, так как химически этот элемент очень активен, его поверхность покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его в агрессивной среде. Детали из алюминия, работающие в агрессивных средах, не должны подвергаться износу. (абразивному). Алюминий хорошо стоит в кислотах, особенно в азотной. В основном используется для изготовления различных аппаратов азотно-кислотных производств. В щелочах алюминий не проявляет коррозийной стойкости. Общий недостаток групп алюминия - в пониженной прочности. В настоящее время используются сплавы на основе алюминия. По своим технологическим свойствам они делятся на 2 принципиальные группы. I – деформируемые алюминиевые сплавы. II – литейные алюминиевые сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы. Эти сплавы преимущественно построены на базе Al-медь. Диаграмма состояния сплавов Al-Сu. α-фаза – твердый раствор меди в алюминии. Al(Cu) Так как сплавы деформируемые, они должны обладать высокой пластичностью α – твердый раствор. Max δ,ψ (α+CuAl2) - механическая смесь max δB CuAl2- химическое соединение max MB. Чем выше пластичность, тем ниже твердость. В структуре должно находиться max твердых растворов и min химических соединений. Max твердых растворов можно получить при концентрации меди не больше 5,7%. Это область для деформированных сплавов. В реальных условиях к деформируемым сплавам относятся сплавы с концентрацией от 2,2 до 5,2%. Все деформированные алюминиевые сплавы в зависимости от возможности упрочнения делятся на 2 группы: 1. сплавы упрочняемые термической обработкой. 2. сплавы неупрочняемые термообработкой. Деформированные сплавы относятся к I –й группе. Термообработка алюминиевых сплавов. Возьмем сплав с концентрацией Cu 4%. По диаграмме выполнен в масштабе, проводим вертикальную линию до пересечения с первой линией, затем прибавим 30÷500 и получим температурный интервал нагревания под закалку для данного сплава. Температура нагревания под закалку от 400 – 5000. чем больше меди тем выше должна быть температура нагревания. После закалки ,,,,, становится напряжение. Необходимая степень напряжения. Его снимают напряжением (разновидность отпуска). Старение может быть естественным или искусственным. Механизм старения : из пересыщенного твердого раствора выделяется мелкодисперсная механическая смесь. Al(Cu)пересыщ→ (α+СuAl2) Эта механическая смесь обладая мелким зерном, позволяет. Естественное старение проводится при комнатной температурах в течении 4-х 6-ти суток. С целью ускорения процесса старение производят в интервале 160-1800 в течении 6-8часов. Маркировка деформируемых сплавов, упрочняемых термообработкой. Большинство сплавов Al-Cu получило название Дур-алюминов. Дур-твердый, прочный. Дюрали маркируются путем простановки в начале марки начальной русской буквы Д. Д1, Д3, Д5, Д16. Сама цифра указывает на порядковый номер сплава. Предел прочности при растяжении - 40÷50 кг/мм2 – алюминиевые сплавы с нормальной прочностью. В состав деформированных алюминиевых сплавов входят высокопрочные сплавы. 60-95 кг/мм2 – предел прочности. Авиаль _АВ. В95, В96. Еще одна группа – ковочные алюминиевые сплавы. Обладают наибольшей пластичностью. АК4, АК6, АК8. Сплавы не упрочняемые термической обработкой. Al-Mn, Al-Mg. Их коррозийная стойкость значительно выше чем у сплавов Al-Cu. Их диаграммы схожи,. Зона под закалку очень узкая. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью. Из таких сплавов изготавливают сварные металлоконструкции, работающие в агрессивных средах. В начале марки ставится буква А, затем второй элемент системы. АМц1 АМг5 АМц2 АМг6. Цифры не имеющие отношения к составу и свойствам. Алюминиевые сплавы литейные. Наибольшее распространение получили сплавы Al – Si (силумины) Диаграмма состояния выглядит следующим образом: α-фаза-Al(Si) α-твердый раствор max δ,ψ. (α+Si) – механическая смесь maxσB Чистая механическая смесь имеет минимальную температуру плавления, кристаллизация идет при одной и той же температуре. Чем меньше разница между ликвидус и солидус, тем плотнее отливка. Наиболее приемлемая зона для получения литьевых деталей находится от 4 до 13%. Особенность силуминов: обладает достаточно хорошей коррозийной стойкостью, хорошей жидкотекучестью, можно изготавливать отливки сложной конфигурации. Предел прочности – не высокий, хрупкие. Маркируются: проставляются в начале марки 2 буквы: АЛ АЛ2; АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ9 АЛ32 – жаропрочный силумин. С целью повышения прочности используют сплавы на основе Al-Cu. К таким сплавам относятся. АЛ6, АЛ7, АЛ12, АЛ19 Коррозийная стойкость их не высока, может работать только в закрытых помещениях. Недостаток: понижена жидкотекучесть. Из таких сплавов изготавливают отливки сравнительно простой конфигурации. Сплавы, обладают высокой жидкотекучестью – тройные сплавы. Al-5-Mg АЛ8, АЛ13, АЛ27. В структуре они образуют тройную эвтектику с температурой плавления около 5000. они обладают очень высокой жидкотекучестью. Si и Mg способствует существенному повышению коррозийной стойкости. Из таких сплавов получают отливки весьма сложной конфигурации, но высокая стоимость. 4.4 Контрольные вопросы 1. Классификация и маркировка сталей. 2. Принцип маркировки углеродных конструкционных сталей обыкновенного качества 3. Принцип маркировки углеродистых конструкционных сталей качественных 4. Принцип маркировки углеродистых инструментальных сталей. 5. Принцип маркировки легированных сталей. 6. Классификация и маркировка чугунов. 7. Принцип маркировки серых чугунов. 8. Принцип маркировки ковких чугунов. 9. Классификация и маркировка сплавов цветных металлов. 10. Принцип маркировки медных сплавов. 11. Принцип маркировки алюминиевых сплавов. 12. Назначение и характеристика материалов. 13. Конструкционные материалы (коррозионностойкие, износостойкие, тугоплавкие). 14. Инструментальные материалы. 15. Материалы с особыми физическими свойствами. 16. Неметаллические материалы – стекло, пластмассы, керамика, резина. 17. Композиционные материалы. Строение, свойства, назначение. Литература к Модулю 4. 1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил. 2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.: ил. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для втузов. – 3-е изд., перераб. и доп – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.: илл. 4. Материаловедение: практикум / В.И. Городниченко, Б.Ю. Давиденко, В.А. Исаев и др.; Под ред. С.В. Ржевской. - М.: Логос, 2004. – 272 с. 5. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: Учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 768 с.: илл. 6. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учебник для втузов. – М.: Металлургия, 1989. – 382 с.: илл. 7. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебник для техн. вузов. - 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа, 1991. – 447 с.: илл. 8. Черепахин А.А. Материаловедение: Учеб. для студ. учр. сред. проф. образ-я. – М.: ИЦ «Академия», 2004. – 256 с., илл. 9. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. – М.: Машиностроение, 2003. – 256 с. – илл. 10. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с. 11. Приданцев М.В. Конструкционные стали: Справочник / М.В. Приданцев, Л.Н. Давыдова, И.А. Тамарина. – М.: Металлургия, 1980. – 288 с.: илл. 12. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 480 с. 13. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 526 с.: илл. 14. Инструментальные стали: Справочник. – М.: Металлургия, 1977. – 168 с. 15. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1982. – 400 с.: илл. 16. Тодоров Р.П. Графитизированные железоуглеродистые сплавы. – М.: Металлургия, 1981. – 320 с.: илл. 17. Тарасов А.В. Металлургия титана: Учеб. пособие. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 328 с.: илл. 18. Войнов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. – М.: Машиностроение, 1980. – 120 с.: илл. 19. Войтович Р.Ф., Пугач Э.А. Окисление тугоплавких соединений: Справочник. – М.: Металлургия, 1978. – 108 с. 20. Цветные металлы. Свойства. Сортамент. Применение: Справочник; Под ред. М.Ф. Баженова. – М.: Металлургия, 1973. – 208 с. 21. Справочник по практическому металловедению / В.Л. Пилюшенко, Б.Б. Винокур, С.Е. Кондратюк и др. – Киев: Техника, 1984. – 135 с.: илл