Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно. » М. В. Ломоносов Поезжалов В. М. - доцент
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ - наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами. В технике под металлами понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью.
Черные металлы Для них характерны: • темно-серый цвет; • большая плотность; • высокая температура плавления; • во многих случаях - полиморфизм. Наиболее типичный представитель этой группы металлов – железо.
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ • • • Железные металлы: Fe; Co; Ni; Mn… Тугоплавкие металлы: W; V; Cr… РЗМ: La; Ce; Nd… Урановые металлы – актиниды. Щелочноземельные металлы.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Для них характерны: • определенная окраска; • высокая пластичность; • малая твердость; • относительно низкая температура плавления; • отсутствие полиморфизма. Наиболее типичный представитель этой группы – медь.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ • Легкие металлы: Be; Mg; Al. • Благородные металлы: Ag; Au; металлы платиновой группы; полублагородная медь. • Легкоплавкие металлы: Zn; Hg; Sn; Pb…
Кристаллическое строение металлов Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Поэтому в физике кристаллическое и твердое состояние – синонимы. Кристаллическое состояние можно представить в виде пространственной решетки, в узлах которой расположены атомы.
ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК ОЦК Гексагональная плотноупакованная
Реальное строение металлических кристаллов • Строение металлов является поликристаллическим. • Кристаллы неправильной формы в металле называют зернами. Ориентация кристаллической решетки в зерне случайна. При холодной обработке давлением возникает текстура – преимущественная ориентировка зерен.
Реальное строение металлических кристаллов • Точечные дефекты кристаллического строения: вакансия замещенный атом внедренный атом
Реальное строение металлических кристаллов • Линейный дефект кристаллической решетки – краевая дислокация. экстраплоскость 1 1 Край экстраплоскости образует линейную дислокацию 1 - 1
Строение слитка Впервые описано Д. К. Черновым в 1878 г. усадочная раковина наружная мелкозернистая корка зона равноосных кристаллов зона столбчатых кристаллов
Форма кристаллических образований • Схема дендрита (древовидного кристалла) Д. К. Чернова.
Превращения в твердом состоянии: аллотропия Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. ΔТ –гистерезис превращений Т β ΔТ β ά β охлаждение β ά ά ά Температура полиморфного превращения нагрев τ
Аллотропия железа Т, ○С L 1539 1392 α γ (оцк) (гцк) 911 точка Кюри 768 α (оцк) τ
Строение сплавов • Сплав – вещество, получаемое сплавлением двух или более компонентов. • Механическая смесь: компоненты, образующие сплав, не способны к взаимному растворению и не образуют соединения. кристаллы В кристаллы А Кристаллы А и В имеют различные кристаллические решетки. К р
Строение сплавов • Твердый раствор на основе одного из компонентов сплава: образуется в сплавах, сохраняющих однородность жидкого расплава при кристаллизации. Существует в интервале концентраций. Состоит из одного вида кристаллов и имеет одну кристаллическую решетку. различают твердые растворы замещения (ограниченные и неограниченные) и внедрения.
Строение сплавов • Химическое соединение: 1. Соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции и може 6 т быть выражено простой формулой (в общем виде - Аn. Вm). Образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления. 2. 3.
Правило фаз C=k–f+1 C – число степеней свободы k – число компонентов f - количество фаз 1 – число переменных Это выражение применяют к металлическим системам, считая, что давление и концентрация постоянны.
Диаграмма состояния • Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации (давление постоянно для всех рассматриваемых случаев). • Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа: строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибами на этих кривых, определяют температуры фазовых превращений. Линиями соединяют точки аналогичных превращений. • Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.
Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода) t A D 1 1 L+A 2 3 0 1 L B L+B C A+B В% 2 3 2 1 1 2 2' E 2 3 3 100% А+В А+В 2 2' 2' 3 3 А+В В Компоненты: вещества А и В (k=2). Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение f=3). C=k–f+1 Эвтектика – механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости. L A+B
Правило отрезков К t А В В сплаве К: r% В и (100 – r)%А. L b a С b' А В% r c АВ – все количество сплава; r. А – количество В; r. В – количество А в сплаве К. В точке а: L + В; L имеет концентрацию b. L содержит b‘% В (отрезок ab‘). Если принять массу сплава К = 1 и она изображается bc, то масса кристаллов в точке а: х = ba / bc, а количество жидкости: 1 – х = ас / bc. Отношение твердой и жидкой фаз: В х / (1 -х) = ba / ас. 1. Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. 2. Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Диаграмма для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (2 рода) 0 K t L b A 0 L+α a n t m 1 L B c 1 L+α 2 2 0 -1 1 -2 α 3 B% 100% 3 α 2 -3 τ Компоненты: А и В (к = 2); фазы: L и α, где L – жидкость; α – твердый раствор (f=2). c=k–f+1 Am. B – линия ликвидус; An. B – линия солидус. Сплав К в точке а: L состава b и α состава с. Количество жидкой фазы L = ac / bc; количество твердой фазы α = ba / bc.
Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (3 рода). Диаграмма с эвтектикой. B 1 A с t 2 α 0 b D L+α Е 3 F α+β'' 4 3 B% β+(α+β) 1 L+α 2 L+β 2 α+(α+β)+β'' L 1 0 0 α C α+β 2' 3 β G L 2 α+β 100 β'' • • α • • • α β 3 4 α β'' • • • α+β • Компоненты: А; В : k. =2. Фазы: L; α (твердый раствор В в А); β (твердый раствор А в В): f=3. Следовательно возможно нонвариантное равновесие при одновременном существовании трех фаз (с =k – f + 1). В заданной системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. АЕВ – линия ликвидус; АDCB – линия солидус. В точках 3 и 4 – 2 фазы: α и β. В точке 3 – 2 структурные составляющие: α и β‘‘. В точке 4 – 3 структурные составляющие: α, β и β'‘. .
Описание процесса охлаждения сплава 2 B 1. Выше точки 1 сплав находится в жидком 1 A с t 2 α 0 b D 2. L 1 L+α Е L+β 2 3. 3 F α+β'' 4 α+(α+β)+β'' 3 C β+(α+β) β G 100 состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. Выделяются кристаллы твердого раствора α. Концентрация которого изменяется по кривой с. D, а состав жидкости по кривой 1 Е. При достижении горизонтальной прямой DEC наступает нонвариантная реакция. В равновесии находятся три фазы: жидкость (состава Е); α-кристаллы (состава D) и βкристаллы (состава С). 4. В результате кристаллизации сплава, кроме первичных (выделившихся из жидкости) кристаллов α, образуется еще и эвтектика (α + β). 5. При охлаждении сплава 2 ниже линии DEC, вследствие изменения растворимости, α-кристаллы выделяют вторичные кристаллы β''. Выделение вторичных кристаллов из эвтектических составляющих обычно не обнаруживается, так как вторичные кристаллы объединяются с такой же фазой эвтектики.
Количественное определение фаз и структурных составляющих в сплавах B 1 A t 2 D L+α b Е 2 L+β C 3 0 α = 4 G / FG β'' = F 4 / FG Сплав 2 α F Количество фаз и структурных составляющих при комнатной температуре: L 1 с Сплав 1 α+β'' D' 4 α+(α+β)+β'' 3 β+(α+β) Е' β G Количество фаз при комнатной температуре: 100 α = 3 G / FG β = F 3 / FG Количество структурных составляющих при температуре эвтектического превращения: (α + β) = D 2 / DЕ α = E 2 / DЕ
Диаграмма с устойчивым химическим соединением В t°С А L+An. Bm L+А Е 2 L+B Е 1 0 B +An. Bm A+ An. Bm В% 100 Хим. соединение и чистые компоненты не образуют в твердом состоянии растворов. Компоненты: А, В, An. Bm – можно рассматривать как однокомпонентную систему
Диаграмма железо – углерод. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны. Стали содержат < 2, 14% углерода; чугуны содержат > 2, 14% углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe 3 C. Устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму при этом можно рассматривать по частям от железа до Fe 3 C (6, 67%С). Это оправдано еще и тем, что на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%.
Свойства и строение компонентов диаграммы железо - углерод 1. 2. Железо – Fe: Тпл =1539° С; в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: α (δ – высокотемпературная модификация) решетка о. ц. к. и γ –решетка г. ц. к. ; при 768°С происходит магнитное превращение; с углеродом железо образует растворы внедрения; твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом, а в γжелезе – аустенитом. Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe 3 C: Тпл = 1250°С; кристаллическая решетка крайне сложна; аллотропических превращений не испытывает; магнитные свойства теряет при 217°С; имеет практически нулевую пластичность; при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода (графита); твердый раствор металлов на базе решетки цементита называют легированным цементитом.
Обозначения, принятые для дальнейшего изложения. • L – жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существует выше линии ликвидус ABCD. • Ц – цементит, соответствует линии DFKL. • Ф – феррит – структурная составляющая, незначительный раствор углерода в αжелезе, на диаграмме располагается левее линий GPQ и AHN. • А – аустенит – структурная составляющая, твердый раствор углерода в γ-железе, область на диаграмме NJESG/
Нонвариантные реакции на диаграмме 1. 2. 3. Т=1499°С (линия HJB): L(B)+Ф(H)→A(J) перетектическая реакция, наблюдается только у сплавов с содержанием углерода от 0, 1% до 0, 5%. Т=1147°С (линия ECF): L(С)→А(H)+Ц – эвтектическая реакция, наблюдается у сплавов с содержанием углерода более 2, 14% С, образовавшуюся в результате реакции эвтектическую смесь называют ледебуритом. Т=727°С (линия PSK): A(S)→Ф(P)+Ц – эвтектоидная реакция, наблюдается у всех сплавов с содержанием углерода более 0, 02%, образовавшуюся в результате реакции эвтектоидную смесь называют перлитом.
Процессы кристаллизации сплавов с содержанием углерода более 2, 14% t°С 1 1 a c Е L 4 1 b 2 D 4 e d 5 С f F 1147°С А 2 эвтектоидный сплав, 4, 3% С 2, 14 К 1 4, 3 С% К 2 2' сплав К 1 5 5' сплав К 2 6, 67 1. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией: L(4, 3%С)→А(2, 14%С)+Ц(6, 67%С); в сплаве, содержащем 4, 3%С происходит только эта реакция, структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит. 2. В доэвтектическом сплаве К 2 сначала идет выделение первичного аустенита; в точке а количество фаз определяется соотношением L(состава b) / А(состава с)=са / аb; структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит + аустенит. 3. В заэвтектическом сплаве К 2 первоначально выделяется первичный цементит; соотношение фаз в точке d определяется аналогично; структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит + цементит.
Вторичная кристаллизация весьма малоуглеродистых сплавов 1 911 1 3 А 2 4 Ф P 4 727 5 Q 0, 01 К 1 2. 2 5 t°С 1. 3 Сплав К 1 0, 02 С, % Сплав К 2 τ К 2 Сплав типа К 1 (содержание углерода 0, 01 <С%<0, 02) : при охлаждении в интервале температур 1 – 2 происходит превращение А→Ф; ниже точки 2 сплав состоит из однородного α-твердого раствора феррита (Ф). Сплав типа К 2 (содержание углерода 0, 01<С%<0, 02): этот сплав отличается от сплава К 1 тем, что вертикаль данного сплава пересекает линию РQ в точке 5. Ниже точки 5 происходит выделение из сплава высокоуглеродистой фазы – цементита (Ц), который называют третичным цементитом в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкости, и вторичного цементита, выделяющегося из аустенита (А).
Вторичная кристаллизация сталей E A t°С G 5 5 2 а Ф P b 2 c 3 S 1 6 K 1 1' 3 3' t°С Эвтектоидный сплав. Доэвтектоидный Q 4 0, 02 К 1 С% 1. 2. 3. сплав К 1 7 0, 8 К 2 2 6 6' Заэвтектоидный сплав К 2 τ Сплав 1: в точке S (727°С) происходит эвтектоидная реакция - А→Ф+Ц; образовавшуюся эвтектоидную смесь называют перлитом (П); перлит не фаза, а структурная составляющая, представляющая собой чередующиеся пластинки феррита и цементита. Сплав К 1: имеет избыток Fe по сравнению с эвтектоидной концентрацией 0, 8%С; выделение Ф при охлаждении обогащает А углеродом и при 727°С происходит эвтектоидная реакция; после окончания превращения структура будет состоять из П и зерен Ф. Сплав К 2: при охлаждении в интервале 5 – 6 из А выделяется Ц, при этом А обедняется углеродом и при 727°С происходит эвтектоидная реакция; в результате получается структура, состоящая из Ц, выделяющегося по границам зерен в виде сетки и П.
Превращения при вторичной кристаллизации в высокоуглеродистых сплавах - чугунах D L t° A G P C E 1 3 S 4 2 5 6 F K Ф 1 1' 3 2 3 ' 2' Эвтектический сплав 4, 3%С 4 5 4' Доэвтектический сплав К 1 5' 6 6' Заэвтектический сплав К 2 L Q 0, 8 2, 0 К 1 4, 3 К 2 6, 67 τ С% 1. 2. 3. Эвтектический сплав (4, 3%С): после затвердевания сплав имеет чисто ледебуритную структуру; при охлаждении от 1147°С до 727°С из А, входящего в состав эвтектики, выделяется вторичный Ц, который обычно структурно не обнаруживается; при 727°С А эвтектики имеет концентрацию 0, 8%С и происходит перлитное превращение А→Ф+Ц; следовательно ниже 727°С ледебурит это смесь перлита и цементита. Сплав К 1: первичные кристаллы А изменяют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 от 2, 14 до 0, 8%с и в точке 4 происходит перлитное превращение; структура такого чугуна ниже 727°С состоит из перлита, ледебурита и вторичного Ц. Сплав К 2: первичный Ц в заэвтектических чугунах не имеет превращений, поэтому в нем происходят превращения как в эвтектическом сплаве; структура ниже 727°С состоит из ледебурита и Ц
Классификация сталей 1. 2. 3. 4. 5. По составу: углеродистые и легированные (никелевые, хромистые, хромоникелевые и т. д. ). По равновесной структуре: доэвтектоидные, заэвтектоидные. По структуре после охлаждения на воздухе: перлитные, мартенситные, аустенитные. И т. д. По назначению: конструкционные инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами.
Углеродистые стали • Основной металлический материал промышленности – углеродистая сталь. • Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально. • Технологические примеси: марганец, кремний. • Постоянные примеси: сера, фосфор, кислород, азот, водород. • Случайные примеси: хром, никель, медь и др. .
Конструкционная углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения Химический состав: Марка стали С% S≤ P≤ Ст 0 ≤ 0, 23 0, 07 0, 055 Ст1 0, 06 -0, 12 0, 045 0, 055 Ст2 0, 09 -0, 15 0, 045 0, 055 Ст3 0, 14 -0, 22 0, 045 0, 055 Ст4 0, 18 -0, 27 0, 045 0, 055 Ст5 0, 28 -0, 37 0, 045 0, 055 Ст6 Ст7 0, 38 -0, 49 0, 045 0, 055 0, 50 -0, 62 0, 045 0, 055
Маркировка различных групп углеродистых сталей обыкновенного качества 1. 2. 3. Группа А – с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется буквами Ст и цифрами от1 до 7, являющимися порядковым номером. Например, Ст 3. Группа Б – с гарантируемым химическим составом (подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется аналогично группе А, но с дополнительными буквами М, К, Б, что характеризует способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский соответственно. Например, МСт3, БСт4, КСт5. Группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (подвергается сварке у потребителя)маркируется аналогично группе А, но с добавлением буквы В. Например, ВСт5.
Маркировка углеродистых сталей обычного качества разных способов раскисления 1. 2. 3. В зависимости от способа раскисления (с целью удаления кислорода) предлагаемые стали маркируют следующим образом: Кипящая сталь - раскисленная только марганцем, содержит в марке буквы кп. Например, МСт1 кп. Кипящие стали имеют наиболее низкое качество. Спокойная сталь – раскисленная марганцем, кремнием и алюминием, содержит в марке буквы сп. Например, ВСт3 сп. Спокойные стали имеют наиболее высокое качество. Полуспокойная сталь – раскисленная марганцем и алюминием, содержит в марке буквы пс. Например, МСт4 пс. Промежуточный вариант качества между кипящей и спокойной сталью.
Влияние углерода на свойства сталей HB δ% 300 60 50 200 40 30 100 20 10 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 С% 1, 2 1, 4 HB – твердость по Бринеллю – одна из характеристик прочности стали (или сопротивления деформации). δ% – относительное удлинение после разрыва - одна из характеристик пластичности стали. Увеличение соде 5 ржания углерода приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали.
Влияние постоянных примесей на свойства стали • • • Марганец – вводится в любую сталь для ракскисления, поэтому его влияние на сталь различного состава остается примерно одинаковым; оказывает положительное воздействие на свойства стали (прежде всего повышает прочность). Кремний – вводится в сталь для раскисления, структурно не обнаруживается. Фосфор – попадает в сталь из руды, топлива и флюсов; вызывает хладноломкость стали (склонность к хрупкому разрушению при понижении температуры); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание фосфора до 0, 15%). Сера – попадает в сталь из руды и печных газов; вызывает явление красноломкости стали (охрупчивание стали при температуре красного каления ≈ 800°С); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание серы до 0, 3%). Газы – содержание в стали зависит от способа производства; при большом количестве водорода могут образоваться опасные флокены; кислород и азот образуют неметаллические включения (соответственно оксиды и нитриды).
Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества Марка стали Применение Ст0; Ст1 Второстепенные элементы конструкций и неответственные детали, : настилы, арматура, шайбы, перила, кожухи и т. д. Ст2 Неответственные детали, требующие повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах. Ст3 КП – малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие в интервале температур Т°С от -10 до +400°С; СП – фасонный и листовой прокат – несущие элементы сварных конструкций, работающие при переменных нагрузках в интервале температур от -40 до +425°С Ст4 ПС – сварные, клепаные, болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового проката, а также для малонагруженных валов, осей, втулок и др. Ст5 ПС, СП - детали клепаных конструкций, болты, гайки, втулки, упоры, штыри, пальцы и т. д. , работающие в интервале температур от 0 до +425°С. Ст6, Ст7 ПС, СП – детали повышенной прочности – оси, валы, пальцы, поршни, шпонки и т. д.
Конструкционные углеродистые качественные стали общего назначения 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60 Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Химический состав, % Марка стали C Mn Si P ≤ S ≤ Cr Ni Cu As ≤ ≤ 0, 3 0, 08 ВСт5 сп 0, 28 -0, 37 0, 50 -0, 80 0, 15 -0, 35 0, 04 Сталь 30 0, 27 -0, 35 0, 50 -0, 80 0, 17 -0, 37 0, 035 0, 04 0, 25 0, 08 0, 05 0, 3
Применение конструкционных углеродистых качественных сталей общего назначения Марка стали Применение Сталь 15 Заменитель: стали 10, 20. Болты, винты, крюки и др. детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности и работающие при температуре от -40 до 450°С. После ХТО – кулачки, гайки и др. детали с высокой поверхностной твердостью. Сталь 30 Заменитель: стали 25 и 35. Рычаги, валы, соединительные муфты и др детали невысокой прочности. Сталь 40 Заменитель: стали 35 и 45. После ТО: коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, оси и др. После ТВЧ: средних размеров валики, зубчатые колеса и др. Сталь 50 Заменитель: стали 45 и 55. После ТО: зубчатые колеса, прокатные валки, тяжелонагруженные валы и оси, миалонагруженные пружины и рессоры и т. д. Сталь 60 Заменитель: сталь 55. Цельнокатаные колеса вагонов, рабочие валки листовых станов для горячей прокатки, диски сцепления и др, т. е. детали с высокой прочностью и износостойкостью.
Углеродистые инструментальные стали У 7; У 7 А; У 8 А; У 9 А; У 10 А; У 12 А. Цифра в марке – содержание С в десятых долях % Марка стали C% Mn% Si% S% ≤ P% ≤ Cr% Ni% Cu% ≤ ≤ ≤ У 7 А 0, 66 -0, 73 0, 17 -0, 28 0, 17 -0, 33 0, 018 0, 025 0, 20 У 7 0, 66 -0, 73 0, 17 -0, 38 0, 17 -0, 33 0, 028 0, 030 0, 25 Применение: инструмент, который работает в условиях не вызывающих разогрев рабочей кромки – зубила, молотки, ножницы по металлу… (У 7); фрезы, пилы продольные и дисковые, отвертки, стамески…(У 8); слесарно -монтажный инструмент…(У 9); метчики ручные, матрицы для холодной штамповки…(У 10); метчики машинные, измерительный инструмент простой формы…(У 12). Твердость углеродистых инструментальных сталей резко уменьшается при нагреве выше 200°С.
Быстрорежущие стали • • • Стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, должны обладать горячей твердостью и красностойкостью (устойчивым сохранением твердости в нагретом состоянии при 500 -600°С). Красностойкость создается легированием стали элементами, образующими специальные карбиды, которые не растворяются до высоких температур. Износостойкость режущего инструмента в первом приближении характеризуется твердостью в нагретом состоянии. Быстрорежущие стали – износостойкий материал. Буква Р в марке стали от слова рапид (скорость). Марка стали C% Cr% W% V% Mo% Вид карбидной фазы Р 18 0, 7 4 18 1 - М 6 С Р 9 0, 9 4 9 2 - М 6 С; МС Р 6 М 5 0, 9 4 6 2 5 М 6 С; МС У 7 0, 7 Fe 3 C
Твердые сплавы Марка сплава WC Ti. C Co ВК 2 ВК 6 Т 5 К 10 98 94 85 5 2 6 10 Твердый сплав является металлокерамическим. Для его изготовления порошки карбидов вольфрама и титана смешивают со связующим веществом (кобальтом) и спекают при Т = 1500 -2000°С. Твердость полученного материала настолько высока, что его можно только шлифовать. Инструмент не изготавливают целиком, а лишь режущую его часть, которую прикрепляют к державке из конструкционной стали. При высокой твердости и износостойкости сплав очень хрупок и не сопротивляется растягивающим напряжениям. Рабочая температура резания может составить 800 -1000°С. Применение: металлорежущий инструмент высокой производительности (резцы, фрезы, сверла и др. )
Конструкционные легированные стали Система маркировки по ГОСТу 1. 2. 3. 4. 5. 6. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой. Например, Н – никель, Х – хром, М – молибден, Г – марганец, С – кремний, Ю – алюминий и т. д. Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах ( при содержании элемента менее 1% цифра отсутствует). Примеры: 30 ХМА; 10 ГН 2 МФА; 20 Х 2 Н 4; 30 ГСЛ и т. д. Буква А в конце марки стали показывает, что в ней ограничено содержание серы и фосфора, а в середине марки – азот; буква Л в конце марки стали – литейная сталь (точнее - улучшенные литейные свойства).
Примеры применения конструкционных легированных сталей Стали Применение 30 Х; 35 ХРА Оси, рычаги, болты, гайки и др. некрупные изделия. 40 Х; 45 Х; 38 ХА; 40 ХН; 50 Х Оси, валы-шестерни, коленчатые и кулачковые валы, зубчатые колеса и др улучшаемые детали повышенной прочности. 30 ХМ; 30 ХМА; 35 ХМ; 40 ХН; 30 ХМ; 30 ХГСА Валы, шестерни; шпильки; фланцы и др. ответственные детали, 30 ХН 2 МФА; 30 ХН 2 ВФА Валы, цельнокованые роторы, детали редукторов, шпильки и др. детали турбин и компрессорных машин, работающие при повышенных температурах. ШХ 15; ШХ 9; ШХ 12 Шарики d≤ 150 мм, ролики d≤ 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, ролики толкателей и др. детали от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность. В стали ШХ 15: С – 1%; Мn – 0, 3%; Si – 0, 25; Сr – 1, 5%. 70; 65 Г; 60 С 2 А; 9 ХС; 60 С 2; 55 С 2; 50 ХФА Пружины, рессоры, фрикционные диски и др. детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости и работающие без ударных нагрузок. работающие при высоких нагрузках и при Т = 450 - 500°С
Процесс графитизации При определенных кинетических T условиях и диффузионных процессах c при охлаждении вместо цементита k образуется графит (Г). L b G A 1153 С' Е' E 738 S' P S А+Г 727 Ф Q 1147 F' F C Ф+Г 0, 7 0, 8 2, 11 2, 14 4, 26 4, 43 K' K Диаграмма Fe – C называется стабильной, а Fe – Ц – метастабильной. Образование графита из жидкости или аустенита происходит в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм то есть в условиях малых переохлаждений и, следовательно при малых скоростях охлаждения Кроме того, образование графита возможно при нагреве цементита (Ц – неустойчивое соединение) с образованием А + Г или Ф + Г. 1. Е'С'F‘ (1153°) – линия фазового равновесия L ↔ А + Г. 2. P'S'K‘ (738°) - линия фазового равновесия А ↔ Ф + Г
Чугуны • • Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома; структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т. е. весь углерод находится в форме цементита; свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом; марки: ИЧХ 3, ИЧХ 5, ИЧХ 15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…); применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц).
Серые чугуны • Излом такого чугуна имеет серый цвет. Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1) ; серый ферритоперлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3). П Пп Ф Ф Г Г Г 1 2 3
Серые чугуны • В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита, который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна. Ф Ф Г Г 1 2
Марки серых чугунов Вид чугуна Примеры маркировки Свойства Применение Обычный серый СЧ 12 -28 СЧ 18 -36 σв =12 кгс/мм 2 =120 МПа σи = 28 кгс/мм 2= 280 МПа σв = 18 кгс/мм 2; σи = 36 кгс/мм 2 Станины; корпуса редукторов; трактор ные отливки, поршневые кольца и др. ВЧ 50 -1, 5 ВЧ 45 -5 σв= 50 кгс/мм 2 = 500 МПа σв = 45 кгс/мм 2; δ% = 5% Коленчатые валы; арматура тоннелей метро; канализационные трубы; и др. КЧ 35 -10 КЧ 45 -6 σВ = 35 кгс/мм 2 = 350 МПа δ% = 10% σВ = 45 кгс/мм 2 ; δ% = 6% Литые детали машин, не испытывающие значительных растягивающих и ударных нагрузок. Высокопрочный чугун Ковкий чугун δ% = 1, 5% σв- предел прочности при растяжении; σи – предел прочности при изгибе. δ% - относительное удлинение после разрыва;
Механические свойства металлических материалов и методы их определения • Аспекты выбора материалов для изготовления деталей машин и механизмов: 1. 2. Механические (конструкционные) свойства материалов. Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют процесс получения узлов и деталей макшин с наилучшими служебными свойствами. Методы определения технологических свойств стандартизованы. К числу важнейших относятся: свариваемость, паяемость, упрочняемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства и технологическая деформируемость. Экономические параметры, связанные с изготовлением деталей. 3.
Механические свойства металлических материалов и методы их определения • Детали должны выдерживать (передавать) различные нагрузки: статические, динамические, циклические, тепловые и др. • Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям, (т. е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость нагружения и т. д. ) может иметь различные механические свойства. • Количественная оценка механических свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики проведения испытаний стандартизованы.
Испытание на растяжение Образец для испытаний l 0 Относительное • удлинение d 0 • сужение Разрушение образца из пластичного материала d 1 F l 1 «шейка» F
Диаграмма растяжения с площадкой текучести З а к о н Г у к а σ = E · ε • σпц, σуп и σт– пределы пропорциональности, упругости и текучести; • σв – временное сопротивление; • σр – напряжение в момент разрыва.
Диаграмма растяжения без площадки текучести σр, ист σв σ0, 2 σр 0, 2% εост εуп • σ0, 2 – условный предел текучести • σр, ист – истинное напряжение в момент разрыва
Испытание на сжатие Образец для испытаний F Деформация образца d 0 из пластичного материала h 0 F из хрупкого материала
Диаграммы растяжения и сжатия пластичного и хрупкого материалов ВС > ВР вр тр тс ТС ≈ ТР Разрушение образца из хрупкого материала F вс F
Испытания на изгиб F А – площадь поперечного сечения образца σи – предел прочности при изгибе σи = Fкр / А
Переменные циклы напряжений асимметричный
симметричный
отнулевой (пульсирующий)
Кривая усталости • σr - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла, при котором разрушение не происходит после практически неограниченного числа циклов изменения напряжений. • Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.
Методы определения твердости материалов. • Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна из характеристик сопротивления деформации. • Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d. • Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса ( с различной нагрузкой). • Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.
Методы определения твердости материалов. • Методы HB и HRB применяют для мягких материалов; HRC для твердых материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев (листов). • Между различными методами существует примерная корреляция. По соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним из методов в значения твердости соответствующие другим методам. • Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел прочности: НВ ≈ σв / 3. • Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень небольшой нагрузке (до 100 г). • Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в условиях производства по отскоку стального шарика
Сплавы меди • Латуни – сплавы меди с цинком – при содержании цинка до 45%. • • • Свойства латуней: Сплав обладает высокой пластичностью, которая достигает максимального значения при 30% Zn. Латуни легко поддаются пластической деформации. Литейные свойства латуней: малая склонность к ликвации; хорошая жидкотекучесть; склонность к образованию концентрированной усадочной раковины. Механические свойства латуней: невысокая прочность – σв = 300 – 350 МПа при δ% = 40% - 20%. Марки латуней: Двойные латуни: Л 62 (62%Cu; 38% Zn) Л 68; Л 70; в том числе ювелирные латуни (томпаки): Л 80; Л 85; Л 96. Специальные латуни: ЛС 59 -1 – автоматная латунь (59%Cu; 1% Pb; 40% Zn); морская латунь – ЛО 60 -1 (60%Cu; 1%Sn; 39% Zn); латунь с повышенной прочностью – ЛАН 59 -3 -2 (59%Cu; 3%Al; 2%Ni; 36%Zn).
Сплавы меди • Оловянистые бронзы – сплавы меди с оловом. Свойства оловянистых бронз: • Бронзы, содержащие более 5% – 6% Sn обладают низкой пластичностью, их не куют и не прокатывают, а применяют в литом виде. • Высокие литейные свойства бронз определяются прежде всего малой усадкой (менее 1%) при довольно низкой жидкотекучести. • Бронзы обеспечивают высокую стойкость против истирания; бронза с 10% олова - наилучший антифрикционный материал. • Высокая химическая стойкость. Применение: • Отливки сложной формы, в т. ч. художественное литье. • Вкладыши подшипников какчения. • Арматура (паровая, водяная и др. )
Сплавы меди • Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и др. элементами также называют бронзами: алюминиевыми, кремнистыми, бериллиевыми и т. д. • Эти бронзы не имеют такой низкой усадки как оловянистакя бронза, но превосходят ее по механическим свойствам (алюминиевая, кремнистая), по химической стойкости (алюминиевая), по жидкотекучести (кремнистая), по твердости и упругости (бериллиевая). Марки бронз Бр. О 10 90%Cu; 10%Sn Бр. ОЦСН 3 -7 -5 -1 84%Cu; 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni Бр. АЖН 10 -4 -4 82%Cu; 10%Al; 4%Fe; 4%Ni
Термическая обработка 1. 2. Технология металлов включает в себя: Металлургию – получение металла заданного состава. Механическую технологию – получение из металла изделий заданной формы. 3. Термическую обработку – получение заданных свойств. Параметры термической обработки: 1. Максимальная температура нагрева – tmax. 2. 3. 4. Время выдержки сплава при температуре нагрева - τв. Скорость нагрева - vнагр. Скорость охлаждения – vохл. Режим термической обработки можно представить в виде график в координатах температура - время
Основные виды термической обработки 1. 2. 3. 4. Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние. Отжиг (второго рода) – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава. Закалка – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Отпуск – нагрев закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния.
Сложные виды термической обработки • Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев. В данном случае используется способность металлов растворять различные, окружающие их поверхность элементы, атомы которых, при повышенных температурах, могут дифундировать в металлы. • Термомеханическая (термопластическая) обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа
Виды термической обработки стали E A G А+Ф Ф P А 3 А 1 Ф+П А+Ц S K П+Ц Ф+Ц Q 0, 02 С% 0, 8 2 Основа изучения термообработки стали – диаграмма железо – углерод. Общепринятые обозначения критических точек (А): • А 1 – линия PSK – соответствует превращению А ↔ П; • А 3 – линия GSE – соответствует началу выпадения или концу растворения Ф (в доэвтектоидных сталях) или Ц (в заэвтектоидных сталях); • Аc 1 и Аc 3 – обозначение критических точек при нагреве; • Аr 1 и Ar 3 – обозначение критических точек при охлаждении. 1. Отжиг – нагрев выше Ас3 с последующим медленным охлаждением (если охлаждение происходит на воздухе то такой вид термообработки называют нормализацией); при охлаждении из межкритического интервала термообработку называют неполным отжигом. 2. Закалка нагрев выше Ас3 с последующим быстрым охлаждением; при охлаждении из межкритического интервала термообработку называют неполной закалкой. 3. Отпуск – нагрев закаленной стали ниже Ас3.
Четыре основных превращения в стали 1. 2. 3. 4. Превращение перлита в аустенит при нагреве: П→А. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении: А→П. Превращение аустенита в мартенсит при закалке: А→М. (Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Превращение мартенсита в перлит (феррито – карбидную смесь) чаще всего при нагреве: М→П. Представленные фазовые превращения используются при термообработке и обусловлены изменением температуры.
Практическое значение температуры рекристаллизации 1. 2. Горячая обработка давлением – пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации. При этом упрочнение металла, если и произойдет, то будет немедленно сниматься процессами рекристаллизации, протекающими при этих температурах. Холодная обработка давлением – пластическая деформация ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка вызывает наклеп (нагартовку) металла – упрочнение металла под действием пластической деформации.
Образование аустенита t°, С Начало превращения П→А v 1 v 2 Конец превращения П→А А 1 τ, мин При обычных условиях нагрева: 1. Для начала превращения необходим перегрев выше А 1. 2. Превращение происходит в интервале температур. Кривые начала и конца превращения асимптотически приближаются к линии А 1.
Отжиг пластически деформированного металла 1 2 3 4 5 1. Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Искажается кристаллическая решетка, появляется текстура (определенная ориентировка зерен). 2. Возврат (отдых) – снятие искажений кристаллической решетки в процессе нагрева до 300° – 400°С. Твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает. 3. Рекристаллизация (первая стадия) – образование новых зерен протекает при более высокой температуре (для сплавов Т рекристаллизации ≈ 0, 8 Т плавления). Свойства металла становятся прежними. 4, 5. Рекристаллизационный отжиг – вторая стадия рекристаллизации – образование и рост равноосных зерен. Происходит при более высоких температурах. ( Вторичная или собирательная рекристаллизация).
Распад аустенита Диаграмма изотермического превращения аустенита Структура А 1 t°С Твердость НВ Перлит Сорбит Тростит Бейнит vкр 150 200 250 400 Мн Мартенсит 600 lg τ Минимальная скорость охлаждения необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения называется критической скоростью закалки.
Превращения при отпуске 1. 2. 3. 4. Исходная структура: мартенсит – структура закаленной стали. Мартенсит – структура, обладающая наибольшим объемом, а аустенит – минимальным. Первое превращение: в интервале температур 80° - 200°С образуется мартенсит отпуска, при этом тетрагонапьность решетки мартенсита уменьшается вследствие выделения карбидов. Второе превращение: в интервале температур 200° - 300°С происходит распад остаточного аустенита с образованием мартенсита отпуска, при этом объем увеличивается. Третье превращение: в интервале температур 300° - 400°С происходит снятие внутренних напряжений, возникающих в результате предыдущих превращений, сопровождавшимися объемными изменениями. Четвертое превращение: выше 400°С происходит интенсивная коагуляция карбидов, образуется смесь Ф + Ц в виде тростита (350° 500°С) или сорбита (500° - 600°С).
Влияние параметров закалки на твердость стали HRC Нагрев выше АС 1 60 50 Нагрев выше АС 3 40 30 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 1, 2 1, 4 1, 6
Влияние температуры отпуска на свойства закаленной стали 40 δ% σb σ0, 2 НВ МПа 62, 5 1200 σв 500 НВ 50, 0 1000 37, 5 800 300 25, 0 600 200 12, 5 400 0 200 400 100 σ0, 2 δ% 300 400 500 Температура отпуска, °С 600
Практика термической обработки Закалка стали. • Закаливаемость – характеризуется максимальным значением твердости, приобретенным сталью в результате закалки. • Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны. А 1 t°С Центр Поверхность ½r М τ Dк – критический диаметр- максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Внутренние напряжения при закалке 1. 2. 3. Внутренние напряжения первого рода (термические): зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, тем больше напряжения первого рода. Внутренние напряжения второго рода (структурные): возникают внутри зерна или между соседними зернами. Эти напряжения возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новой фазы с иным объемом. Остаточные напряжения – напряжения, которые сохранилась в детали в результате охлаждения. Отпуск – необходимое и радикальное средство уменьшения остаточных напряжений.
Химико-термическая обработка. • Преимущества по сравнению с закалкой ТВЧ: 1. 2. 3. Независимость от внешней формы изделия. Большее различие между свойствами сердцевины и поверхности. Последствия перегрева могут быть устранены последующей термической обработкой. • Виды ХТО: 1. Цементация – насыщение поверхности детали углеродом с последующей закалкой, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Азотирование – насыщение поверхности детали азотом, которое осуществляют на готовых деталях, т. к. азотированный слой обладает высокой твердостью, а размеры изделий изменяются после азотирования крайне мало. Цианирование. Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности деталей металлами. Например: хромирование или алитирование для повышения жаростойкости изделий. 2. 3. 4.
Скачать презентацию Костанайский государственный университет им А Байтурсынова МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ КУРС
eb5f4c0d51aa53614bb46354f683a7ee.ppt