МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ «Металлы суть светлые тела, которые

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно. » М. В. Ломоносов

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 может 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 качения. • 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 оловянистая 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 lgτ 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.