Материаловедение Доцент кафедры Материаловедения и ТКМ Венедиктов Николай

Материаловедение Доцент кафедры Материаловедения и ТКМ Венедиктов Николай Леонидович

Введение Материаловедение: - металловедение и термическая обработка, - неметаллические материалы

1. Классификация металлов Черные металлы: железные, тугоплавкие, урановые, РЗМ, щелочноземельные Цветные металлы: легкие, благородные, легкоплавкие

2. Кристаллическое строение металлов Простая кубическая решетка

Кристаллические решетки Объемноцентрированная кубическая ОЦК Гранецентрированная кубическая ГЦК Гексагональная плотноупокованная ГПУ

Кристаллические решетки

Аллотропия (полиморфизм) Железо до 900 ºС ОЦК - α железо – 930 ºС - 1300 ºС ГЦК – γ железо – 1390 ºС - 1540 ºС ОЦК - α железо –

3. Кристаллизация и реальное строение металлов Центры кристаллизации Кристаллит (зерно) Последовательные этапы процесса кристаллизации

Точечные дефекты кристаллического строения Вакансия Межузельный атом

Линейные дефекты кристаллического строения Дислокация ρ = 108 – 1012 см/см 3

Линейные дефекты кристаллического строения

Поверхностные дефекты кристаллического строения Границы зерен Границы субзерен

Диффузионные процессы в металле

Влияние количества дефектов на прочность металла σтеор прочность теоретическая σНК – прочность нитевидных кристаллов

Влияние количества дефектов на прочность сплава (стали)

4. Свойства металлов и сплавов Механические прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость Физические Химические Технологические Эксплуатационные

Прочность 0 l

Испытания на растяжение ГОСТ 1497 -84 Цилиндрические (а) и плоские образцы (б)

Универсальная испытательная машина

Универсальная испытательная машина

Диаграмма растяжения

Диаграммы растяжения Место сужения – шейка при испытаниях

Диаграмма растяжения

Упруго-пластическая область Предел пропорциональности σпц = Рпц/ F 0 Предел упругости σ0, 05 = Р 0, 05/ F 0 Предел текучести (физический) σ Т = Р Т/ F 0 Предел текучести (условный) σ0, 2 = Р 0, 2/ F 0

Пластическая область Предел прочности σ в = Р в/ F 0 Характеристики пластичности Относительное удлинение δ = (lr-l 0)100/ l 0 Относительное сужение ψ = (F 0 -Fк)100/ F 0

Ударная вязкость Маятниковый копер МК-30 А Аразр. = АH – Ah KCU = Aразр. /F

Твердость по Бринеллю (НВ)

Твердость по Роквеллу (НR) Р = Р 0 + Р 1

Твердость по Виккерсу (HV)

4. Свойства металлов и сплавов Механические прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость Физические Химические Технологические Эксплуатационные

5. Фазы и структура металлических сплавов Механические смеси Химические соединения Твердые растворы

Механические смеси А В

5. Фазы и структура металлических сплавов Механические смеси Химические соединения Твердые растворы

Твердые растворы замещения Твердые растворы внедрения

Твердые растворы А(В)

6. Диаграммы состояния сплавов Система координат для построения диаграммы состояния сплавов

Экспериментальное построение диаграммы состояния 1 — печь; 2 — тигель; 3 — расплавленный металл; 4 — горячий спай; 5 — термопара; 6 — колпачок; 7 — холодный спай; 8 — гальванометр Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом

Диаграммы состояния компонентов, образующих механические смеси I II IV Кривые охлаждения сплавов свинец–сурьма (Pb-Sb) V

Диаграммы состояния компонентов, образующих механические смеси I II IV V I II IV Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов свинец–сурьма (Pb-Sb) V

Диаграммы состояния компонентов, образующих механические смеси I II IV V В А Ж Ж+Sb Pb+Ж D Pb Pb+Э С Э(Pb+Sb Э+Sb E Sb Диаграмма состояния сплавов свинец–сурьма (Pb-Sb)

Правило отрезков А Ж Pb+Ж а • b • • D Pb с С 8 Э(Pb+Sb

Правило отрезков А Pb+Ж а а а Ж b b b с D Pb с с Ж=45% Ж=70% Ж=85% Ж=55% Ж=40% Тв(Pb)=55% Тв(Pb)=30% Тв(Pb)=15% Тв(Pb)=45% Тв(Pb)=60% с с Состав жидкой фазы С 6 7 12%Sb-88%Pb 11%Sb-89%Pb 7%Sb-93%Pb 6%Sb-94%Pb 8%Sb-92%Pb 12 Э(Pb+Sb)

Диаграммы состояния компонентов, образующих химические соединения

Диаграммы состояния компонентов, образующих неограниченные твердые растворы

Диаграммы состояния компонентов, образующих ограниченные твердые растворы

7. Железоуглеродистые сплавы

Диаграмма состояния Fe-C

Диаграмма состояния Fe-C

Структура стали Техническое Доэвтектоидная железо сталь Феррит Перлит Эвтектоидная сталь Перлит Заэвтектоидная сталь Перлит Цементит

Влияние углерода на механические свойства стали

Структура чугуна Металлическая основа Феррит + Перлит Серый пластинчатый Серый вермикулярный Ковкий Высокопрочный

8. Термическая обработка. Теория термической обработки Основные параметры термической обработки: - скорость нагрева, Vнагр. , - температура нагрева, tнагр. , - время выдержки при температуре, τ, - скорость охлаждения, Vохл. Виды термической обработки: - отжиг, - закалка, - отпуск, - старение.

Термическая обработка стали Критические точки: А 1, Аc 1, Аr 1 – линия PSK, А 3, Аc 3, Аr 3 – линия GSE Превращения в стали: 1. П А, 2. А П, 3. А М, 4. М П+Ц

Кривая изотермического распада А (С – кривая)

Кривая изотермического распада А (С – кривая)

Реечная структура мартенсита

Практика термической обработки Выбор температуры закалки Выбор времени нагрева τобщ. = τнагр. + τвыд.

Способы закалки 1 – непрерывное охлаждение 2 – закалка в двух средах 3 – ступенчатая закалка 4 – изотермическая закалка

Химико-термическая обработка 1 — ящик; 2 — карбюризатор; 8 — «свидетели» ; 4 — детали

9. Классификация материалов Конструкционная сталь Углеродистые конструкционные стали Углеродистые стали обыкновенного качества Р и S ≤ 0, 05 Качественные углеродистые стали Р и S ≤ 0, 035

Углеродистые стали обыкновенного качества Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 Р и S ≤ 0, 05 Ст3 кп (кипящая) – раскислена Mn Ст3 пс (полуспокойная) – раскислена Mn, Si Ст3 сп (спокойная) – раскислена Mn, Si, Al Ст3 кп БСт2 пс ВСт4 сп

Качественные углеродистые стали 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 Р и S ≤ 0, 035 - низкоуглеродистые - среднеуглеродистые - высокоуглеродистые С < 0, 25% С = 0, 25 -0, 5% С = 0, 55 -0, 85%

Легированные конструкционные стали 15 Х, 40 ХФА, 12 Х 2 Н 4 А, 18 ХГТ А – азот Б – ниобий В – вольфрам Г – марганец Д – медь Е – селен К – кобальт Н – никель М – молибден П – фосфор Р – бор С – кремний Т – титан. Ф – ванадий Х – хром Ц – цирконий Ч – РЗМ Ю – алюминий

Легированные конструкционные стали Качественные Р и S ≤ 0, 035 15 Х Высоко качественные Р и S ≤ 0, 025 Особовысоко качественные Р и S ≤ 0, 015 12 Х 2 Н 4 А 18 ХГТ-Ш

Конструкционные строительные стали С ≤ 0, 22 % 10 ХСНД 5 ХСНД

Арматурные конструкционные строительные стали С = 0, 25 – 0, 35 % 10 ХСНД 5 ХСНД

Конструкционные цементуемые стали С = 0, 1 – 0, 25 % Сталь: 10 15 20

Конструкционные улучшаемые стали «Улучшение» = «Закалка» + «Высокий отпуск» 40 ХГТ 30 ХГС

Стали с повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные) 0, 15 - 0, 3 % Рb А 12 АС 30 ХМ

Высокопрочные стали σв > 1500 МПа 30 Х 5 М 2 ФА

Стали для холодной штамповки 08 Юкп

Пружинные стали С = 0, 25 – 0, 35 % + Si, Mn 60 C 2 60 ГС Т/об. = «Закалка» + «Средний отпуск»

Шарикоподшипниковые стали С ~ 1 % + Cr, Si, Mn ШХ 6 ШХ 15 СГ

Нержавеющие стали Сr > 12 % 20 Х 13 Х 18 Н 9 Т

Инструментальные материалы Требования: 1. Высокая твердость и прочность 2. Высокая износостойкость 3. Высокая красностойкость (теплостойкость) 4. Высокая теплопроводность 5. Удовлетворительная пластичность и ударная вязкость 6. Относительно дешевые 1. Углеродистые инструментальные стали 2. Легированные инструментальные стали 3. Быстрорежущие стали 4. Твердые сплавы

Углеродистые инструментальные стали С = 0, 7 – 1, 3 % У 7 У 12 HRC = 60 -62 Красностойкость - 220 ºС

Легированные инструментальные стали У 10 А + 1 - 3 % Сr, W, Mn, Si. ХВГ - 1 % С, 1 % Сr, 1% W 1 % Mn 9 ХС - 0, 9 % С, 1 % Сr и Si HRC = 65 -67 Красностойкость – 250 -260 ºС

Быстрорежущие стали С~1% + W Р 9, Р 18, Р 6 М 5, Р 9 Ф 5 HRC = 67 -70 Красностойкость – 650 ºС

Металлокерамические твердые сплавы 1. Вольфрамовые ВК 2, ВК 8 Со = 2 %, WС = 98 %. 2. Титановольфрамовые: Т 15 К 10 Со = 10 %, Тi. С = 15 %, WС = 75 %. 3. Титанотанталовольфрамовые: ТТ 7 К 10 Со = 10%, Тi. С+Та. С = 7%, WС = 83 % HRC = 80 -90 Красностойкость – 800 ºС