Лекції матеріалознавство

1.doc (3 стор.)
Оригінал


  1   2   3
ЗМІСТ


1. ЯКІСТЬ І ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ ....................................... 14

1.1. Якість матеріалів і його оцінка ....................................................... 14

1.2. Механічні властивості матеріалів ................................................. 16

1.3. Технологія матеріалів та технологічні властивості ........................... 18

1.4. Фізичні, хімічні та експлуатаційні властивості

2. МЕТАЛИ І СПЛАВИ ................................................................... 21

2.1. Будова металів ....................................................................... 21

2.2. Металеві сплави .................................................................. 25

3. Сплав заліза з вуглецем ............................................... 29

3.1. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів ................................. 29

3.2. Стали ....................................................................................... 31

3.3. Чавуни ..................................................................................... 32

4. ТЕРМІЧНА І хіміко-термічної обробки

4.1.

4.2.Закалка і відпустку стали ..................................................... 37
4.3 Поверхневе зміцнення стали .......................................................... 40

5. Легованої сталі .............................................................. 42

5.1. Конструкційні стали ................................................................ 42

5.2. Стали зі спеціальними властивостями ................................................ 48

6. КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ І СПЛАВИ ................................................... 50

6.1. Алюміній і його сплави ................................................................ 50

6.2. Мідь і її сплави ......................................................................... 52

6.3. Сплави інших кольорових металів .................................................... 53

Неметалічних матеріалів .................................................. 54

7.1. Пластичні маси .................................................................... 54

7.2. Гумові матеріали ................................................................... 57

7.3. Деревні матеріали .................................................................. 59

7.4. Неорганічні матеріали ............................................................ 61

7.5 Композиційне матеріали ........................................................... 61

8.ЕКОНОМІЧЕСКІЕ ПРОБЛЕМИ ВИКОРИСТАННЯ

8.1. Економічно обгрунтований вибір матеріалу ...................................... 63

8.2.Основние напрямки економії матеріалів .................................... 65


ВСТУП



Матеріалознавство - наука про зв'язки між складом, будовою і властивостями матеріалів і закономірності їх змін при зовнішніх фізико-хімічних впливах.

Усі матеріали за хімічною основі діляться на дві основні групи - металеві і неметалеві. До металевих відносяться метали та їх сплави. Метали складають більше 2/3 всіх відомих хімічних елементів.

У свою чергу, металеві матеріали діляться на чорні і кольорові. До чорних відносяться залізо і сплави на його основі - сталі і чавуни. Всі інші метали відносяться до кольорових. Чисті метали володіють низькими механічними властивостями в порівнянні зі сплавами і тому їх застосування обмежується тими випадками, коли необхідно використовувати їх спеціальні властивості (наприклад, магнітні або електричні).

Практичне значення різних металів не однаково. Найбільше застосування в техніці придбали чорні метали. На основі заліза виготовляють більше 90% всієї металопродукції. Однак кольорові метали мають цілу низку цінних фізико-хімічних властивостей, які роблять їх незамінними. З кольорових металів найбільше промислове значення мають алюміній, мідь, магній, титан та ін

Крім металевих, у промисловості значне місце займають різні неметалеві матеріали - пластмаси, кераміка, гума та ін Їх виробництво і застосування розвивається в даний час випереджаючими темпами в порівнянні з металевими матеріалами. Але використання їх у промисловості невелика (до 10%) і пророкування тридцятирічної давності про те, що неметалеві матеріали до кінця століття істотно потіснять металеві, не справдилося.
^ 1. ЯКІСТЬ І ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ


    1. Якість матеріалів і його оцінка


Якістю матеріалу називається сукупність його властивостей, що задовольняють певні потреби відповідно до призначення. Рівень якості визначається відповідними показниками, котрі представляють собою кількісну характеристику одного або декількох властивостей матеріалів, які визначають їх якість відповідно до конкретних умов виготовлення та використання. За кількістю характеризуються властивостей показники якості поділяються на одиничні і комплексні. Одиничний показник якості характеризується тільки одним властивістю (наприклад, твердість сталі). Комплексний показник характеризується кількома властивостями продукції. При цьому продукція вважається якісною тільки в тому випадку, якщо весь комплекс оцінюваних властивостей задовольняє встановленим вимогам якості. Прикладом комплексного показника якості сталі можуть служити оцінка хімічного складу, механічних властивостей, мікро-і макроструктури. Комплексні показники якості встановлюються державними стандартами.

Методи контролю якості можуть бути найрізноманітніші: візуальний огляд, органолептичний аналіз та інструментальний контроль. За стадії визначення якості розрізняють контроль попередній, проміжний і остаточний. При попередньому контролі оцінюється якість вихідної сировини, при проміжному - дотримання встановленого технологічного процесу. Вікон чательно контроль визначає якість готової продукції, її придатність і відповідність стандартам. Придатної вважається продукція, що повністю відповідає вимогам стандартів і технічних умов. Продукція, що має дефекти і відхилення від стандартів, вважається браком.

Якість матеріалу визначається головним чином його властивостями, хімічним складом і структурою. Причому властивості матеріалу залежать від структури, яка, у свою чергу, залежить від хімічного складу.

Тому при оцінці якості можуть визначатися властивості, склад і оцінюватися структура матеріалу. Властивості матеріалів та методи визначення деяких з них викладені в наступних розділах. Хімічний склад може визначатися хімічним аналізом або спектральним аналізом.

Існують різні методи вивчення структури матеріалів. За допомогою макроаналізу вивчають структуру, видиму неозброєним оком або при невеликому збільшенні за допомогою лупи. Макроаналіз дозволяє виявити різні особливості будови і дефекти (тріщини, пористість, раковини та ін.) Мікроаналізом називається вивчення структури за допомогою оптичного мікроскопа при збільшенні до 3000 разів. Електронний мікроскоп дозволяє вивчати структуру при збільшенні до 25000 разів. Рентгенівський аналіз застосовують для виявлення внутрішніх дефектів. Він заснований на тому, що рентгенівські промені, що проходять через матеріал і через дефекти, послаблюються в різному ступені. Глибина проникнення рентгенівських променів в сталь становить 80 мм. Цю ж фізичну основу має просвічування гамма-променями, але вони здатні проникати на велику глибину (для сталі - до 300мм). Просвічування радиолучами сантиметрового і міліметрового діапазону дозволяє виявити дефекти в поверхневому шарі неметалічних матеріалів, так як проникаюча здатність радіохвиль в металевих матеріалах невелика. Магнітна дефектоскопія дозволяє виявити дефекти в поверхневому шарі (до 2 мм) металевих матеріалів, що володіють магнітними властивостями і заснована на спотворенні магнітного поля в місцях дефектів. Ультразвукова дефектоскопія дозволяє здійснювати ефективний контроль якості на великій глибині. Вона заснована на тому, що за наявності дефекту інтенсивність проходить через матеріал ультразвуку змінюється. Капілярна дефектоскопія служить для виявлення невидимих ​​оком тонких тріщин. Вона використовує ефект заповнення цих тріщин легко змочуючими матеріал рідинами.

^ 1.2. Механічні властивості матеріалів
Механічні властивості характеризують здатність матеріалів чинити опір дії зовнішніх сил. До основних механічних властивостей відносяться міцність, твердість, ударна в'язкість, пружність, пластичність, крихкість та ін

Міцність - це здатність матеріалу чинити опір руйнівній дії зовнішніх сил.

Твердість - це здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього іншого, більш твердого тіла під дією навантаження.

В'язкістю називається властивість матеріалу чинити опір руйнуванню під дією динамічних навантажень.

Пружність - це властивість матеріалів відновлювати свої розміри і форму після припинення дії навантаження.

Пластичністю називається здатність матеріалів змінювати свої розміри і форму під дією зовнішніх сил, не руйнуючись при цьому.

Крихкість - це властивість матеріалів руйнуватися під дією зовнішніх сил без залишкових деформацій.

При статичних випробуваннях на розтяг визначають величини, що характеризують міцність, пластичність і пружність матеріалу. Випробування проводяться на циліндричних (або плоских) зразках з певним співвідношенням між довжиною l 0 і діаметром d 0. Зразок розтягується під дією прикладеної сили Р (рис. 1, а) до руйнування. Зовнішня навантаження викликає у зразку напругу і деформацію. Напруга σ - це відношення сили Р до площі поперечного перерізу F 0, МПа:

σ = P / F 0,

Деформація характеризує зміну розмірів зразка під дією навантаження,%:

ε = [(l 1 - l 0) / l 0] · 100,

де l 1 - довжина розтягнутого зразка.

Деформація може бути пружною (зникає після зняття навантаження) і пластичної (що залишається після зняття навантаження).

При випробуваннях стоїтся діаграма розтягання, що є залежність напруги від деформації. На рис. 1 наведена така діаграма для низьковуглецевої сталі. Після проведення випробувань визначаються наступні характеристики механічних властивостей.

^ Межа пружності σ у - це максимальне напруження при якому в зразку не виникають пластичні деформації.

Межа плинності σ т - це напруга, відповідне майданчику плинності на діаграмі розтягування (рис. 1). Якщо на діаграмі немає площадки плинності (що спостерігається для крихких матеріалів), то визначають умовний межа плинності σ 0,2 - напруга, що викликає пластичну деформацію, рівну 0,2%. Межа міцності (або тимчасовий опір) σ в - це напруга, що відповідає максимальному навантаженні, яку витримує зразок при випробуванні.

^ Відносне подовження після розриву δ-ставлення збільшення довжини зразка при розтягу до початкової довжині l 0,%:

δ = [(l k - l 0) / l 0] · 100,

де l до - довжина зразка після розриву.



Рис. 1. Статичні випробування на розтягування: а - схема випробування;

б - діаграма розтягання

Відносним звуженням після розриву ψ називається зменшення площі поперечного перерізу зразка, віднесене до початкового перетину зразка,%:

ψ = [(F 0 - F k) / F 0] · 100,

де F к - площа поперечного перерізу зразка в місці розриву. Відносне подовження і відносне звуження характеризують пластичність матеріалу.

Твердість металів вимірюється шляхом вдавлення у випробуваний образна твердого наконечника різної форми /

^ Метод Брінелля заснований на вдавлюванні в поверхню металу сталевого загартованого кульки під дією певного навантаження. Після зняття навантаження у зразку залишається відбиток. Число твердості за Брінеллем НВ визначається відношенням навантаження, що діє на кульку, до площі поверхні отриманого відбитка.

^ Метод Роквелла заснований на вдавливании у випробуваний зразок загартованого сталевої кульки діаметром 1,588 мм (шкала В) або алмазного конуса з кутом при вершині 120 ° (шкали А і С). Вдавлювання виробляється під дією двох навантажень - попередньої рівної 100 Н і остаточної рівній 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В і С відповідно. Число твердості по Роквеллу HRA, HRB і HRC визначається по різниці глибин вдавлювання.

^ У методі Віккерса застосовують вдавлення алмазної чотиригранної піраміди з кутом при вершині 136 °. Число твердості за Віккерсом HV визначається відношенням прикладеного навантаження до площі поверхні відбитка.

^ Ударна в'язкість визначається роботою A, витраченої на руйнування зразка, віднесеної до площі його поперечного перерізу F; Дж/м2:

KC = A / F

Випробування проводяться ударом спеціального маятникового копра. Для випробування застосовується стандартний надрізаний зразок, що встановлюється на опорах копра. Маятник певної маси завдає удару по стороні протилежній надрізу.
^ 1.3. Технологія матеріалів та технологічні властивості
Технологія матеріалів являє собою сукупність сучасних знань про способи виробництва матеріалів і засобах їх переробки в цілях виготовлення виробів різного призначення. Метали і сплави виробляють шляхом виплавки при високих температурах з різних металевих руд. Галузь промисловості, що займається виробництвом металів і сплавів, називається металургією. Полімери (пластмаси, гума, синтетичні волокна) виготовляються найчастіше за допомогою процесів органічного синтезу. Початковою сировиною при цьому служать нафту, газ, кам'яне вугілля.

Готові вироби і заготовки для подальшої обробки з металів і сплавів виробляються шляхом лиття або обробки тиском. Ливарне виробництво займається виготовленням виробів шляхом заливання розплавленого металу в спеціальну форму, внутрішня порожнина якої має конфігурацію вироби. Розрізняють лиття в піщані форми (в землю) та спеціальні способи лиття.

Піщані ливарні форми виготовляються шляхом ущільнення формувальних сумішей, основою яких є кварцовий пісок, До спеціальних способів відноситься лиття в кокіль, лиття під тиском, відцентрове лиття, лиття в оболонкові форми, лиття по виплавлюваних моделях. Кокіль - це спеціальна металева форма. При лиття під тиском заливка металу в металеву форму і його застигання відбувається під надлишковим тиском. При відцентровому лиття метал заливається в обертову металеву форму. Оболонкові форми складаються з дрібного піску зі сполучною. При лиття по виплавлюваних моделях керамічна форма виготовляється шляхом занурення моделі з легкоплавкого матеріалу (парафіну, стеарину) в керамічний суспензію і подальшої виплавки моделі з форми. Сплави, призначені для отримання деталей литтям, називаються ливарними.

Обробкою металів тиском називають зміну форми заготовки під впливом зовнішніх сил. До видів обробки металів тиском відносяться прокатка, пресування, волочіння, кування і штампування. Прокатка полягає в обтисненні заготівлі між обертовими валками. При пресуванні метал видавлюється із замкнутого обсягу через отвір. Волочіння полягає в протягуванні заготовки через отвір. Куванням називається процес вільного деформування металу ударами молота або тиском преса. Штампуванням отримують деталі за допомогою спеціального інструменту - штампу, що представляє собою металеву роз'ємну форму, всередині якої розташована порожнина, відповідна конфігурації деталі. Сплави, призначені для отримання деталей обробкою тиском, називають деформуються.

Порівняно новим напрямом виробництва металевих деталей є порошкова металургія, яка займається виробництвом деталей з металевих порошків шляхом пресування і спікання.

Вироби із пластмас отримують шляхом пресування, лиття або видавлювання. Гумові вироби отримують обробкою між валами (каландруванню), видавлюванням, пресуванням або литтям з подальшою вулканізацією (див. розділ, 7.2.). Вироби з керамічних матеріалів отримують шляхом формування і випалювання або пресування і спікання.

Зварюванням називається технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань матеріалів шляхом встановлення міжатомних зв'язків між зварюються частинами при їх нагріванні або пластичній деформації або спільній дії того й іншого. Зварюванням з'єднують однорідні і різнорідні метали і їх сплави, метали з деякими неметалевими матеріалами (керамікою, графітом, склом), а також пластмаси.

Заключною стадією виготовлення виробів часто є обробка різанням, яка полягає в знятті з заготовки ріжучим інструментом шару матеріалу у вигляді стружки. У результаті цього заготівля набуває правильну форму, точні розміри, необхідну якість поверхні.

Технологічні властивості визначають здатність матеріалів піддаватися різним видом обробки. Ливарні властивості характеризуються здатністю металів і сплавів у розплавленому стані добре заповнювати порожнину ливарної форми і точно відтворювати її обриси (жідкотекучест'ю), величиною зменшення об'єму при затвердінні (усадкою), схильністю до утворення тріщин і пір, схильністю до поглинання газів в розплавленому стані. Ковкість - це здатність металів і сплавів піддаватися різним видам обробки тиском без руйнування. Зварюваність визначається здатністю матеріалів утворювати міцні зварні з'єднання. Оброблюваність різанням визначається здатністю матеріалів піддаватися обробці ріжучим інструментом.
^ 1.4. Фізичні, хімічні та експлуатаційні властивості матеріалів
До фізичних властивостей матеріалів відноситься щільність, температура плавлення, електропровідність, теплопровідність, магнітні властивості, коефіцієнт температурного розширення та ін

Щільністю називається відношення маси однорідного матеріалу до одиниці його обсягу.

Це властивість важливо при використанні матеріалів в авіаційній і ракетній техніці, де створювані конструкції повинні бути легкими і міцними.

Температура плавлення - це така температура, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. Чим нижче темпі-

ратура плавлення металу, тим легше протікають процеси його плавлення, зварювання і тим вони дешевші.

Електропровідністю називається здатність матеріалу добре і без втрат на виділення тепла проводити електричний струм. Хорошою електропровідністю володіють метали та їх сплави, особливо мідь і алюміній. Більшість неметалічних матеріалів не здатні проводити електричний струм, що також є важливою властивістю, використовуваному в електроізоляційних матеріалах.

Теплопровідність - це здатність матеріалу переносити теплоту від більш нагрітих частин тіл до менш нагрітих. Хорошою теплопровідністю характеризуються металеві матеріали.

Магнітними властивостями тобто здатністю добре намагнічуватися володіють тільки залізо, нікель, кобальт та їх сплави.

Коефіцієнти лінійного і об'ємного розширення характеризують здатність матеріалу розширюватися при нагріванні. Це властивість важливо враховувати при будівництві мостів, прокладання залізничних і трамвайних колій і т.д.

Хімічні властивості характеризують схильність матеріалів до взаємодії з різними речовинами і пов'язані зі здатністю матеріалів протистояти шкідливій дії цих речовин. Здатність металів і сплавів чинити опір дії різних агресивних середовищ називається корозійної стійкістю (див. розділ 5.2), а аналогічна здатність неметалічних матеріалів - хімічною стійкістю.

До експлуатаційних (службовим) властивостей відносяться жаростійкість, жароміцність, зносостійкість, радіаційна стійкість, корозійна і хімічна стійкість та ін

Жаростійкість характеризує здатність металевого матеріалу чинити опір окисленню в газовому середовищі при високій температурі.

Жароміцність характеризує здатність матеріалу зберігати механічні властивості при високій температурі.

Зносостійкість - це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню його поверхневих шарів при терті.

Радіаційна стійкість характеризує здатність матеріалу чинити опір дії ядерного опромінення.
^ 2. МЕТАЛИ І СПЛАВИ
2.1. Будова металів
У техніці під металами розуміють речовини, що володіють комплексів металевих властивостей: характерним металевим блиском, високою електропровідністю, хорошою теплопровідністю, високою пластичністю.

^ Кристалічні решітки. Всі речовини у твердому стані можуть мати кристалічну або аморфну ​​будову. У аморфному речовині атоми розташовані хаотично, а в кристалічному - в строго визначеному порядку. Всі метали у твердому стані мають кристалічну будову.

Для опису кристалічної структури металів користуються поняттям кристалічної решітки. Кристалічна решітка - це уявна просторова сітка, у вузлах якої розташовані атоми. Найменша частина кристалічної решітки, визначальна структуру металу, називається елементарної кристалічної осередком,

На рис. 2 зображені елементарні комірки для найбільш поширених кристалічних граток. У кубічної об'ємно-центрованої решітці (рис. 2, а) атоми розташовані у вухах осередку і один атом у центрі куба.


Таку решітку мають хром, вольфрам, молібден та ін У кубічної гранецентрированной решітці (рис. 2, б) атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Цю решітку мають алюміній, мідь, нікель і інші метали. У гексагональної плотноупакованной решітці (рис. 2, в) атоми розташовані у вершинах і центрах підстав шестигранною призми і три атоми в середині призми. Такий тип решітки мають магній, цинк і деякі інші метали.

^ Кристалізація металів. Процес утворення в металах кристалічної решітки називається кристалізацією. Для вивчення процесу кристалізації будують криві охолодження металів, які показують зміну температури (t) у часі (τ). На рис. 3 наведені криві охолодження аморфного і кристалічного речовин. Затвердіння аморфної речовини (рис. 3, а) відбувається поступово, без різко вираженої межі між рідким і твердим станом-На кривій охолодження кристалічної речовини (рис. 3, б) є горизонтальний ділянка з температурою t кр, званої температурою кристалізації. Наявність цієї ділянки говорить про те, що процес супроводжується виділенням прихованої теплоти кристалізації. Довжина горизонтальної ділянки - це час кристалізації.



Кристалізація металу відбувається поступово. Вона об'єднує два процеси, що відбуваються одночасно: виникнення центрів кристалізації і зростання кристалів. У процесі кристалізації коли зростаючий кристал оточений рідиною, він має правильну геометричну форму. При зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується (рис. 4). Після закінчення кристалізації утворюються кристали неправильної



форми, які називаються зернами або кристаллитами. Усередині кожного зерна є певна орієнтація кристалічної решітки, що відрізняється від орієнтації решіток сусідніх зерен.

Поліморфізм. Деякі метали в залежності від температури можуть існувати в різних кристалічних формах. Це явище називається поліморфізм або аллотропия, а різні кристалічні форми однієї речовини називаються поліморфними модифікаціями. Процес переходу від однієї кристалічної форми до іншої називається поліморфним перетворенням. Поліморфні перетворення протікають при певній температурі.

^ Поліморфні модифікації позначають малими грецькими літерами α, β, γ, δ і т. д., причому α відповідає модифікації, існуючої при найбільш низькій температурі. Поліморфізм характерний для заліза, олова, кобальту, марганцю, титану і деяких інших металів.

Важливе значення має поліморфізм заліза. На рис. 5 зображена крива охолодження заліза.


Поліморфні перетворення характеризуються горизонтальними ділянками на кривій охолодження, так як при них відбувається повна перекристалізація металу. До 911 ° С стійко Fe α, що має кубічну об'емноцептрірованную грати. В інтервалі 911 ... 1392 ° С існує Fe γ з кубічної гранецентрированной кристалічною решіткою.

При 1392 ... 1539 ° С знову стійко ^ Fe α. Часто високотемпературну модифікацію Fe α позначають Fe δ. Зупинка на кривій охолодження при 768 ° С пов'язана не з поліморфним перетворенням, а зі зміною магнітних властивостей. До 768 ° С залізо магнітно, а вище - немагнітними.

^ Дефекти кристалічної будови. Реальний металевий кристал завжди має дефекти кристалічної будови. Вони поділяються на точкові, лінійні і поверхневі (рис. 6).

Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах. До точкових дефектів відносяться вакансії, які становлять вузли кристалічної решітки в яких відсутні атоми (рис. 6, а), а також заміщені атоми домішки (рис. 6, б) і впроваджені атоми (рис. 6, в) які можуть бути як домішковими , так і атомами основного металу.



Точкові дефекти викликають місцеві спотворення кристалічної решітки, які затухають досить швидко по мірі віддалення від дефекту.

Лінійні дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність у третьому. Ці дефекти називають дислокаціями. Крайова дислокація (рис. 7) являє собою спотворення кристалічної решітки, викликане наявністю «зайвої» атомної напівплощині.



Поверхневі дефекти малі тільки в одному вимірі. До них відносяться, наприклад, межі між окремими зернами або групами зерен.

^ Наклепання і рекристалізація. При пластичної деформації змінюється не тільки форма і розміри металу, але також його внутрішню будову і механічні властивості. Зерна розгортаються, деформуються і сплющуються, витягаючи в напрямку деформації. Утворюється волокниста структура. При цьому міцність і твердість металу підвищуються, а пластичність і в'язкість знижуються. Явище зміцнення металу при пластичній деформації називається наклепом.

Волокнисту будову і наклеп можуть бути усунені при нагріванні металу. Часткове зняття наклепу відбувається вже при невеликому нагріванні (до 300 ... 400 ° С для заліза). Але волокниста структура при цьому зберігається. При нагріванні до більш високої температури в металі відбувається утворення нових равноосной зерен. Цей процес називається рекристалізацією. Наклеп при цьому знімається повністю.

Температура, при якій починається процес рекристалізації називається температурою рекристалізації. Абсолютна температура рекристалізації Т p пов'язана з абсолютною температурою плавлення простою залежністю:
Т p = a · T пл,
де а - коефіцієнт, що залежить від складу і структури металу. Для особливо чистих металів а = 0,2, для металів технічної чистоти а = 0,3 ... 0,4, для сплавів а = 0,5 ... 0,6.

Якщо деформування металу відбувається при температурі, яка вища за температуру рекристалізації, то наклеп після деформації не виникає. Така деформація називається гарячої. При гарячої деформації йдуть одночасно процеси зміцнення і рекристалізації. Деформація, яка відбувається нижче температури рекристалізації називається холодною.
^ 2.2. Металеві сплави
Металевим сплавом називається матеріал, отриманий сплавленням двох або більше металів або металів з неметалами, що володіє металевими властивостями. Речовини, які утворюють сплав називаються компонентами. Фазою називають однорідну частину сплаву, що характеризується певними складом і будовою і відокремлену від інших частин сплаву поверхнею розділу. Під структурою розуміють форму розмір і характер взаємного розташування фаз в металах і сплавах. Структурними складовими називають відокремлені частини сплаву, що мають однакову будову з притаманними їм характерними особливостями.

^ Види сплавів за структурою. За характером взаємодії компонентів всі сплави поділяються на три основні типи: механічні суміші, хімічні сполуки і тверді розчини.

Механічна суміш двох компонентів А і В утворюється, якщо вони не здатні до взаємодії або взаємною розчиненню. Кожен компонент при цьому кристалізується в свою кристалічну решітку. Структура механічних сумішей неоднорідна, складається з окремих зерен компонента А і компонента В. Властивості механічних сумішей залежать від кількісного співвідношення компонентів: чим більше в сплаві даного компонента, тим ближче до його властивостей властивості суміші.

Хімічна сполука утворюється коли компоненти сплаву А і В вступають в хімічну взаємодію. При цьому при цьому співвідношення чисел атомів у сполуці відповідає його хімічною формулою А m У n. Хімічна сполука має свою кристалічну решітку, яка відрізняється від кристалічних граток компонентів. Хімічні сполуки мають однорідну структуру, що складається з однакових за складом і властивостями зерен.

При утворенні твердого розчину атоми одного компонента входять в кристалічну решітку іншого. Тверді розчини заміщення утворюються в результаті часткового заміщення атомів кристалічної решітки одного компонента атомами другого (рис. 6, б).

Тверді розчини впровадження утворюються коли атоми розчиненого компонента впроваджуються в кристалічну решітку компонента-розчинника (рис. 6, в). Твердий розчин має однорідну структуру, одну кристалічну решітку. На відміну від хімічної сполуки твердий розчин існує не при строго певному співвідношенні компонентів, а в інтервалі концентрацій. Позначають тверді розчини малими літерами грецького алфавіту: α, β, γ, δ і т. д.

Діаграма стану. Діаграма стану показує будова сплаву в залежності від співвідношення компонентів і від температури. Вона будується експериментально по кривих охолодження сплавів (рис. 8). На відміну від чистих металів сплави кристалізуються ні при постійній температурі, а в інтервалі температур. Тому на кривих охолодження сплавів є дві критичні точки. У верхній критичній точці, званої точкою ликвидус (t л), починається кристалізація. У нижній критичній точці, яка називається точкою солидус (t c), кристалізація завершується. Крива охолодження механічної суміші (рис. 8, а) відрізняється від кривої охолодження твердого розчину (рис. 8, б) наявністю горизонтальної ділянки. На цій ділянці відбувається кристалізація евтектики. Евтектикою називають механічну суміш двох фаз, одночасно кристалізувалися з рідкого сплаву. Евтектика має певний хімічний склад і утворюється при постійній температурі.



Діаграму стану будують в координатах температура-концентрація. Лінії діаграми розмежовують області однакових фазових станів. Вид діаграми залежить від того, як взаємодіють між собою компоненти. Для побудови діаграми стану використовують велику кількість кривих охолодження для сплавів різних концентрацій. При побудові діаграми критичні точки переносяться з кривих охолодження на діаграму і з'єднуються лінією. У одержані на діаграмі областях записують фази або структурні складові. Лінія діаграми стану на якій при охолодженні починається кристалізація сплаву називається лінією ликвидус, а лінія на якій кристалізація завершується - лінією солидус.

^ Види діаграм стану. Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші (рис. 9), характеризується відсутністю розчинення компонентів у твердому стані. Тому в цьому сплаві можливе утворення трьох фаз: рідкого сплаву Ж, кристалів А і кристалів В. Лінія АСВ діаграми є лінією ликвидус: на ділянці АС при охолодженні починається кристалізація компонента А, а на ділянці С D - компонента В. Лінія D СВ є лінією солидус, на ній завершується кристалізація А або В і при постійній температурі відбувається кристалізація евтектики Е. Сплави концентрація яких відповідає точці С діаграми називаються евтектичними, їх структура являє собою чисту евтектику.

Сплави, розташовані на діаграмі лівіше евтектичного, називаються доевтектичних, їх структура складається із зерен А і евтектики. Ті сплави які на діаграмі розташовані правіше евтектичного, називаються заевтектичних, їх структура являє собою зерна В, оточені евтектикою.



Діаграма стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів у твердому стані зображена на рис. 10. Для цього сплаву можливе утворення двох фаз: рідкого сплаву і твердого розчину а. На діаграмі є всього дві лінії, верхня є лінією ликвидус, а нижня - лінією солидус.

Діаграма стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані показана на рис 11. У цьому сплаві можуть існувати три фази - рідкий сплав, твердий розчин α компонента В в компоненті А і твердий розчин β компонента А в компоненті В. Дана діаграма містить в собі елементи двох попередніх. Лінія АСВ є лінією ликвидус, лінія А D СЕВ - лінією солидус. Тут також утворюється евтектика, маються евтектичний, доевтектичний і заевтектичних сплави. По лініях FD і EG відбувається виділення вторинних кристалів α II і β II (внаслідок зменшення розчинності з пониженням температури). Процес виділення вторинних кристалів з твердої фази називається вторинною кристалізацією.

Діаграма стану сплавів, що утворюють хімічну сполуку (рис. 12) характеризується наявністю вертикальної лінії, що відповідає співвідношенням компонентів у хімічному з'єднанні А m У n. Ця лінія ділить діаграму на дві частини, які можна розглядати як самостійні діаграми сплавів, утворених одним з компонентів з хімічною сполукою. На рис. 12 зображена діаграма для випадку, коли кожен з компонентів утворює з хімічною сполукою механічну суміш.


^ 3. Сплав заліза з вуглецем
3.1. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Діаграма стану залізовуглецевих сплавів дає уявлення про будову основних конструкційних сплавів - сталей і чавунів.

Компоненти, фази і структурні складові сплавів заліза з вуглецем. Залізо - пластичний метал сріблясто-білого кольору з невисокою твердістю (НВ 80). Температура плавлення - 1539 ° С, щільність 7,83 г/см3. Має поліморфні модифікації (див. розділ 2.1.). З вуглецем залізо утворює хімічну сполуку і тверді розчини.

Цементит - це хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза) Fe 3 С. У ньому міститься 6,67% вуглецю (за масою). Має складну ромбічну кристалічну решітку. Характеризується дуже високою твердістю (НВ 800), вкрай низькою пластичністю і крихкістю.

Ферритом називається твердий розчин вуглецю до α-залозі. Зміст вуглецю в фериті дуже невелика - максимальне 0,02% при температурі 727 ° С. Завдяки настільки малому вмісту вуглецю властивості фериту збігаються з властивостями заліза (низька твердість і висока пластичність). Твердий розчин вуглецю в високотемпературної модифікації Fe α (тобто в Fe δ) часто називають δ-ферритом або високотемпературним ферритом.

Аустеніт - це твердий розчин вуглецю в γ-залозі. Максимальний вміст вуглецю в аустеніт складає 2,14% (при температурі 1147 ° С). Має твердість НВ 220.

Перліт - це механічна суміш фериту з цементитом. Містить 0,8% вуглецю, утворюється з аустеніту при температурі 727 ° С. Має пластинчаста будова, тобто його зерна складаються з чергуються платівок фериту і цементиту. Перліт є евтектоід. Евтектоід-це механічна суміш двох фаз, що утворюється з твердого розчину (а не з рідкого сплаву, як евтектика).

Ледебурит являє собою евтектичну суміш аустеніту з цементитом. Містить 4,3% вуглецю, утворюється з рідкого сплаву при температурі 1147 ° С. При температурі 727 ° С аустеніт, що входить до складу ледебуріта перетворюється на перліт і нижче цієї температури ледебурит являє собою механічну суміш перліту з цементитом.

Фаза цементиту має п'ять структурних форм: цементит первинний, що утворюється з рідкого сплаву; цементит вторинний, що утворюється з аустеніту; цементит третинний, що утворюється з фериту; цементит ледебуріта; цементит перліту.

Діаграма Fе-Fе 3 С. На рис. 13 наведена діаграма стану сплавів заліза з цементитом. На горизонтальній осі концентрацій відкладено вміст вуглецю від 0 до 6,67%. Ліва вертикальна вісь відповідає 100% вмісту заліза. На ній відкладені температура плавлення заліза і температури його поліморфних перетворень. Права вертикальна вісь (6,67% вуглецю) відповідає 100% вмісту цементиту. Літерне позначення точок діаграми прийнято відповідно до міжнародного стандарту і зміні не підлягає.

Лінія ^ АВСД діаграми є лінією ликвидус. На ній починається кристалізація: на ділянці АВ - фериту, нд - аустеніту і СД - первинного цементиту. Лінія AHJECF є лінією солидус діаграми.



Залізовуглецеві сплави залежно від вмісту вуглецю діляться на технічне залізо (до 0,02% С), сталь (від 0,02 до 2,14% С) і чавун (від 2,14 до 6,67% С). Сталь, що містить до 0,8% С називається доевтектоїдної, 0,8% С - евтектоїдної і понад 0,8% С - заевтектоідной. Чавун, що містить від 2,14 до 4,3% С називається доевтектіческнм, рівно 4,3% - евтектичним і від 4,3 до 6,67% С - заевтектичних.

Структура технічного заліза являє собою зерна фериту або ферит з невеликою кількістю третинного цементиту. Обов'язковою структурною складовою стали є перліт. Структура доевтектоїдних стали, складається з рівномірно розподілених зерен фериту та перліту. Евтектоїдна сталь складається тільки з перліту. Структура заевтектоідной стали являє собою зерна перліту, оточені суцільною або переривчастою сіткою вторинногоцементиту. Дня чавуну характерна наявність ледебуріта в структурі. Структура доевтектичних чавуну складається з перліту, вторинногоцементиту і ледебуріта, евтектичного - з ледебуріта і заевтектичних - з ледебуріта та первинного цементиту.

Значення діаграми залізо - цементит полягає в тому, що вона дозволяє пояснити залежність структури і, відповідно, властивостей сталей і чавунів від вмісту вуглецю і визначити режими термічної обробки для зміни властивостей сталей.
3.2. Стали
Сталлю називається сплав заліза з вуглецем, в якому вуглецю міститься не більше 2,14%. Це теоретичне визначення. На практиці в сталях, як правило, не міститься вуглецю більше 1,5%.

Вплив вуглецю і домішок на властивості сталі. Вуглець суттєво впливає на властивості стали навіть при незначній зміні його змісту. У сталі є дві фази - ферит і цементит (частково у вигляді перліту). Кількість цементиту зростає прямо пропорційно вмісту углерода.Как вже говорилося, ферит характеризується високою пластичністю і низькою твердістю, а цементит, навпаки, дуже низькою пластичністю і високою твердістю. Тому з підвищенням вмісту вуглецю до 1,2% знижуються пластичність і в'язкість сталі і підвищуються твердість і міцність.

Підвищення вмісту вуглецю впливає і на технологічні властивості сталі. Ковкість, зварюваність і оброблюваність різанням погіршуються, по ливарні властивості поліпшуються.

Крім заліза і вуглецю в сталі завжди присутні постійні домішки. Наявність домішок пояснюється технологічними особливостями виробництва сталі (марганець, кремній) і неможливістю повного видалення домішок, що потрапили в сталь із залізної руди (сірка, фосфор, кисень, водень, азот). Можливі також випадкові домішки (хром, нікель, мідь та ін.)

Марганець і кремній вводять в будь-яку сталь для розкислення, тобто для видалення шкідливих домішок оксиду заліза FеО. Марганець також усуває шкідливі сірчисті сполуки заліза. При цьому вміст марганцю зазвичай не перевищує 0,8%, а кремнію - 0,4%. Марганець підвищує міцність, а кремній пружність сталі.

Фосфор розчиняється в фериті, сильно спотворює кристалічну решітку, знижуючи при цьому пластичність і в'язкість, але підвищуючи міцність. Шкідливий вплив фосфору полягає в тому, що він сильно підвищує температуру переходу стали в крихке стан, тобто викликає її хладноломкость. Шкідливість фосфору посилюється тим, що він може розподілятися в сталі нерівномірно. Тому вмісту фосфору в сталі обмежується величиною 0,045%.

Сірка також є шкідливою домішкою. Вона нерозчинні в залозі і утворює з ним сульфід заліза FeS, який утворює з залізом легкоплавкіевтектики. Евтектика розташовується по межах зерен і робить сталь крихкою при високих температурах. Це явище називається красноломкостью. Кількість сірки в сталі обмежується 0,05%.

Водень, азот і кисень містяться в сталі в невеликих кількостях. Вони є шкідливими домішками, погіршують властивості сталі.

^ Класифікація сталей. За хімічним складом сталі можуть бути вуглецевими, що містять залізо, вуглець і домішки і легованими, що містять додатково легуючі елементи, введені в сталь з метою зміни її властивостей.

За змістом вуглецю стали діляться на низьковуглецевих (до 0,25% С), середньовуглецеві (0,25 ... 0,7% С) і високовуглецеві (більше 0,7% С).

За призначенням розрізняють стали конструкційні, що йдуть на виготовлення деталей машин, конструкцій та споруд, інструментальні, що йдуть на виготовлення різного інструменту, а також сталі спеціального призначення з особливими властивостями: нержавіючі, жаростійкі, жароміцні, зносостійкі, з особливими електричними і магнітними властивостями і ін .

За показниками якості сталі класифікуються на звичайної якості, якісні, високоякісні та особливо високоякісні. Якість сталі характеризується сукупністю властивостей, визначених процесом виробництва, хімічним складом, вмістом газів і шкідливих домішок (сірки і фосфору). Відповідно до ГОСТу сталі звичайної якості повинні містити не більше 0,045% Р і 0,05% S, якісні - не більше 0,035% Р і 0,04% S, високоякісні - не більше 0,025% Р і 0,025% S і особливо високоякісні - не більше 0,025% Р і 0,015% S.

Вуглецеві конструкційні сталі можуть бути тільки звичайної якості і якісними.

Якісні конструкційні вуглецеві дива маркуються цифрами 08, 10, 15, 20, 25, ..., 85, які позначають середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Ці сталі відрізняються від сталей звичайної якості більшою міцністю, пластичністю і ударною в'язкістю. Якщо для сталей звичайної якості максимальна міцність становить 700 МПа, то для якісної вона досягає 1100 МПа. Більш докладно вони будуть розглянуті спільно з конструкційними легованими сталями (див. розділ 5.1.).


3.3. Чавуни
Чавуном називають сплав заліза з вуглецем, що містить від 2,14 до 6,67% вуглецю. Але це теоретичне визначення. На практиці вміст вуглецю в чавунах знаходиться в межах 2,5 ... 4,5%. В якості домішок чавун містить Si, М n, S і Р.

Класифікація чавунів. Залежно від того, в якій формі міститься вуглець у чавунах, розрізняють такі їх види. У білому чавуні весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту. Структура білого чавуну відповідає діаграмі F е - F е 3 С. У сірому чавуні більша частина вуглецю знаходиться у вигляді графіту, включення якого мають пластинчасту форму. У високоміцному чавуні графітні включення мають кулясту форму, а в ковка - пластівчасту. Зміст вуглецю у вигляді цементиту в сірому, високоміцному і ковкого чавуну може становити не більше 0,8%.

Білий чавун має високу твердість, крихкістю і дуже погано обробляється. Тому для виготовлення виробів він не використовується і застосовується як граничний чавун, тобто йде на виробництво сталі. Для деталей з високою зносостійкістю використовується чавун з вибіленої поверхнею, в якому основна маса металу має структуру сірого чавуну, а поверхневий шар - білого чавуну. Машинобудівними чавунами, що йдуть на виготовлення деталей, є сірий, високоміцний і ковкий чавуни. Деталі з них виготовляються литтям, так як чавуни мають дуже хороші ливарні властивості. Завдяки графітним включеннях ці чавуни добре обробляються, мають високу зносостійкість, гасять коливання і вібрації. Але графітні включення зменшують міцність.

Таким чином, структура машинобудівних чавунів складається з металевої основи і графітових включень. За металевій основі вони класифікуються на феритний чавун (весь вуглець міститься у вигляді графіту), ферито-перлітний і перлітний (містить 0,8% вуглецю у вигляді цементиту). Характер металевої основи впливає на механічні властивості чавунів: міцність і твердість вище у перлітних, а пластичність - у феритних.

^ Сірий чавун має пластинчаті графітні включення. Структура сірого чавуну схематично зображено на рис. 14, а. Отримують сірий чавун шляхом первинної кристалізації з рідкого сплаву.



На графітизацію (процес виділення графіту) впливають швидкість охолодження і хімічний склад чавуну. При швидкому охолодженні графітизації не відбувається і виходить білий чавун. У міру зменшення швидкості охолодження виходять, відповідно, перлітний, ферито-перлітний і феритний сірі чавуни. Сприяють графітизації вуглець і кремній.

Кремнію міститься в чавуні від 0,5 до 5%. Іноді його вводять спеціально. Марганець і сірка перешкоджають графітизації. Крім того, сірка погіршує механічні та ливарні властивості. Фосфор не впливає на графітизацію, але покращує ливарні властивості.

Механічні властивості сірого чавуну залежать від кількості та розміру графітних включень. У порівнянні з металевою основою графіт має низьку міцність. Тому графітні включення можна вважати порушеннями суцільності, ослабляющими металеву основу. Так як пластинчаті включення найбільш сильно послаблюють металеву основу, сірий чавун має найбільш низькі характеристики, як міцності, так і пластичності серед всіх машинобудівних чавунів. Зменшення розміру графітних включень покращує механічні властивості. Подрібненню графітних включень сприяє кремній.

Маркується сірий чавун літерами СЧ і числом, що показує межа міцності в десятих частках мегапаскалей. Так, чавун СЧ 35 має σ в = 350 МПа. Є наступні марки сірих чавунів: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. ..., СЧ 45.

^ Високоміцний чавун має кулясті графітні включення. Структура високоміцного чавуну зображена на рис. 14, б. Отримують високоміцний чавун добавкою в рідкий чавун невеликої кількості лужних або лужноземельних металів, які округлюють графітні включення в чавуні, що пояснюється збільшенням поверхневого натягу графіту. Найчастіше для цієї мети застосовують магній у кількості 0,03 ... 0,07%. За змістом інших елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого.

Кулясті графітні включення в найменшій мірі послаблюють металеву основу. Саме тому високоміцний чавун має більш високі механічні властивості, ніж сірий. При цьому він зберігає хороші ливарні властивості, оброблюваність різанням, здатність гасити вібрації і т. д.

Маркується високоміцний чавун літерами ВЧ і цифрами, що показують межа міцності і десятих частках мегапаскалей. Наприклад, чавун ВЧ 60 має σ в = 600 МПа. Існують наступні марки високоміцних чавунів: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Застосовуються високоміцні чавуни для виготовлення відповідальних деталей - зубчастих коліс, валів та ін

^ Ковкий чавун має хлопьевідние графітні включення (рис. 14, в). Його отримують з білого чавуну шляхом графітізірующего відпалу, який полягає в тривалій (до 2 діб) витримці при температурі 950 ... 970 ° С. Якщо після цього чавун охолодити, то виходить ковкий перлітний чавун, металева основа якого складається з перліту і невеликої кількості (до 20%) фериту. Такий чавун називають також светлосердечним. Якщо в області евтектоїдних перетворення (720 ... 760 ° С) проводити дуже повільне охолодження або навіть дати витримку, то вийде ковкий феритний чавун, металева основа якого складається з фериту і дуже невеликої кількості перліту (до 10%). Цей чавун називають черносердечним, так як він містить порівняно багато графіту.

Маркується ковкий чавун літерами КЧ і двома числами, що показують межу міцності в десятих частках мегапаскалей і відносне подовження в%. Так, чавун КЧ 45-7 має σ в = 450 МПа і δ = 7%. Ферритні ковкі чавуни (КЧ 33-8, КЧ 37-12) мають більш високу пластичність, а перлітні (КЧ 50-4, КЧ 60-3) більш високу міцність. Застосовують ковкий чавун для деталей невеликого перерізу, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях.
^ 4. ТЕРМІЧНА І хіміко-термічної обробки СТАЛИ

Термічною обробкою називається сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження твердих металевих сплавів з метою одержання заданих властивостей за рахунок зміни внутрішньої будови та структури. Розрізняють такі види термічної обробки: відпал, гартування та відпуск.
4.1. Відпал
Отжигом стали називається вид термічної обробки, що полягає в її нагріванні до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні. Цілі відпалу - зниження твердості і поліпшення оброблюваності сталі, зміна форми і величини зерна, вирівнювання хімічного складу, зняття внутрішніх напружень. Існують різні види відпалу: повний, неповний, дифузійний, ре кристалізаційний, низький, отжиг на зернистий перліт, нормалізація. Температури нагріву стали для ряду видів відпалу пов'язані з положенням ліній діаграми F е-F е 3 С. Низька швидкість охолодження зазвичай досягається при охолодженні стали разом з піччю.

Повний отжиг застосовується для доевтектоїдних сталей. Нагрівання стали для повного відпалу здійснюється на 30 ... 50 ° С вище лінії GS діаграми F е-F е 3 С (рис. 15). При цьому відбувається повна перекристалізація сталі і зменшення величини зерна. Вихідна структура з великих зерен фериту та перліту при нагріванні перетворюється на аустенітну, а потім при повільному охолодженні в структуру з дрібних зерен фериту та перліту. Підвищення температури нагріву призвело б до зростання зерна. При повному відпалі знижується твердість і міцність сталі, а пластичність підвищується.

При неповному відпалі нагрів проводиться на 30 ... 50 ° С вище лінії Р S До діаграми F е-F е 3 С (рис. 15). Він проводиться, якщо вихідна структура не дуже грубозерниста або не треба змінити розташування феритної (у доевтектоїдних сталях) або цементітной (у заевтектоідних сталях) складовою. При цьому відбувається лише часткова перекристалізація - тільки перлітної складовою стали.

Дифузійний відпал (гомогенізація) полягає в нагріві стали до 1000 ... 1100 ° С, тривалій витримці (10 ... 15 годин) при цій температурі і наступному повільному охолодженні. В результаті дифузійного відпалу відбувається вирівнювання неоднорідності стали за хімічним складом. Завдяки високій температурі нагріву і тривалої витримці виходить грубозерниста структура, яка може бути усунена наступним повним відпалом.

Відпал рекристалізації призначено зняття наклепу і внутрішніх напружень після холодної деформації та підготовки структури до подальшого деформування. Нагрівання необхідно здійснювати вище температури рекристалізації, яка для заліза становить 450 ° С (див. розділ 2.1.). Зазвичай для підвищення швидкості рекристалізаційних процесів застосовують значно вищі температури, які, однак, повинні бути нижче лінії Р S До діаграми F е-F е 3 С. Тому температура нагріву для рекристаллизационного відпалу становить 650 ... 700 ° С. В результаті рекристаллизационного відпалу утвориться однорідна дрібнозерниста структура з невеликою твердістю і значною в'язкістю.

Низький отжиг застосовується в тих випадках, коли структура стали задовільна і необхідно тільки зняти внутрішні напруження, що виникають при кристалізації або після механічної обробки. У цьому випадку сталь нагрівають значно нижче лінії Р S До діаграми F е-F е 3 С (200 ... 600 ° С).

Відпал на зернистий перліт (сфероїдизації) застосовують для сталей близьких до евтектоїдний складом або для заевтектоідних. Такий відпал здійснюють маятниковий способом (температуру кілька разів змінюють поблизу лінії Р S К, то перегріваючи вище неї на 30 ... 50 ° С, то охолоджуючи нижче на 30 ... 50 ° С) або шляхом тривалої витримки (5-6 годин) при температурі кілька вище лінії Р S До і подальшого повільного охолодження. Після такого відпалу цементит, зазвичай присутній в структурі у вигляді пластин, набуває зернисту форму. Сталь зі структурою зернистого перліту володіє більшою пластичністю, меншою твердістю і міцністю в порівнянні з пластинчастим перлітом. Відпал на зернистий перліт застосовується для підготовки сталей до загартування або для поліпшення їх оброблюваності різанням.

Нормалізація складається з нагріву сталі на 30 ... 50 ° С вище лінії GSE діаграми F е-F е 3 С (рис. 15), витримки при цій температурі і наступного охолодження на повітрі. Більш швидке охолодження в порівнянні із звичайним відпалом призводить до більш дрібнозернистої структурі. Нормалізація - дешевша термічнаоперація, ніж отжиг, так як печі використовують тільки для нагрівання і витримки. Для низьковуглецевих сталей (до 0,3% С) різниця у властивостях між нормалізованим і відпаленим станом практично відсутній і ці стали краще піддавати нормалізації. При більшому вмісті вуглецю нормалізована сталь володіє більшою твердістю і меншою в'язкістю, ніж відпалений. Іноді нормалізацію вважають самостійною різновидом термічної обробки, а не видом відпалу.
^ 4.2. Загартування і відпуск сталі
Перетворення в сталі при охолодженні. При повільному охолодженні стали утворюються структури, відповідні діаграмі F е-F е 3 C. Спочатку відбувається виділення фериту (у доевтектоїдних сталях) або вторинногоцементиту (у заевтектоідних сталях), а потім відбувається перетворення аустеніту в перліт. Це перетворення полягає в розпаді аустеніту на ферит, майже не містить вуглецю і цементит, що містить 6,67% С. Тому перетворення супроводжується дифузією, перерозподілом вуглецю. Дифузійні процеси відбуваються протягом деякого часу, причому швидкість дифузії різко падає з пониженням температури. Зазвичай вивчають ізотермічне перетворення аустеніту (що відбувається при витримці при постійній температурі) для евтектоїдної сталі. Вплив температури на швидкість і характер перетворення представляють у вигляді діаграми ізотермічного перетворення аустеніту (рис. 16).

Діаграма будується в координатах температура - логарифм часу. Вище температури 72 ° С на діаграмі знаходиться галузі сталого аустеніту. Нижче цієї температури аустеніт є нестійким і перетворюється в інші структури. Перша С - подібна крива на діаграмі відповідає початку перетворення аустеніту, а друга - його завершення. При невеликому переохолодженні - приблизно до 550 ° С відбувається згадане вище дифузійне перлітного перетворення.



Залежно від ступеня переохолодження утворюються структури, звані перліт, сорбіт і тростит. Це структури одного типу - механічні суміші фериту і цементиту, що мають пластинчаста будова. Відрізняються вони лише ступенем дисперсності, тобто товщиною пластинок фериту і цементиту. Найбільш крупнодисперсная структура - перліт, найбільш дрібнодисперсна - тростит. При переохолодженні аустеніту приблизно нижче 240 ° С швидкість дифузії падає майже до нуля і відбувається бездіффузіонного мартенситне перетворення. Утворюється мартенсит - пересичений твердий розчин вуглецю в α - залозі. Мартенсит має ту ж концентрацію вуглецю, що й вихідний аустеніт. Через високу пересичених вуглецем решітка мартенситу сильно спотворюється, завдяки чому мартенсит має високу твердість (до Н R З 65). Горизонтальна лінія М н діаграми відповідає початку. Перетворення аустеніту в мартенсит, а лінія М к - завершенню цього процесу.

У діапазоні температур від мартенситного до перлітного перетворення відбувається проміжне перетворення і утворюється структура, звана бейнит.

Загартування - це вид термічної обробки, що складається в нагріванні стали до певної температури, витримці і наступному швидкому охолодженні. У результаті загартування підвищується твердість і міцність, але знижується в'язкість і пластичність. Нагрівання сталі виробляється на 30 ... 50 ° С вище лінії GSK діаграми F е-F е 3 С. У доевтектоїдних сталях нагрів вище лінії GS необхідний для того, щоб після гарту у структурі не було м'яких феритних включень. Для заевтектоідних сталей застосовується нагрів вище лінії S К, так як присутність цементиту не знижує твердість сталі.

Зазвичай в результаті загартування утворюється мартенситних структура. Тому охолоджувати сталь слід з такою швидкістю, щоб крива охолодження не перетинала С - образні криві діаграми ізотермічного перетворення аустеніту (рис. 16). Для досягнення високої швидкості охолодження гартувати деталі занурюють у воду (для вуглецевих сталей) або мінеральні масла (для легованих сталей).

Здатність стали гартуватися на мартенсит називається закаліваемостью. Вона характеризується значенням твердості, що купується сталлю після гарту і залежить від вмісту вуглецю. Стали з низьким вмістом вуглецю (до 0,3%) практично не гартуються і гарт для них не застосовується.

Прокаливаемостью називається глибина проникнення загартованої зони. Відсутність наскрізний прокаливаемости пояснюється тим, що при охолодженні серцевина остигає повільніше, ніж поверхню. Прокаливаемость характеризує критичний діаметр D кр, тобто максимальний діаметр деталі циліндричного перетину, яка прожарюється наскрізь у даному охолоджувачі.

Відпустка стали - це вид термічної обробки, наступний за загартуванням і полягає в нагріві стали до певної температури (нижче лінії Р S К), витримці і охолодженні. Мета відпустки - отримання більш рівноважної в порівнянні з мартенситом структури, зняття внутрішніх напружень, підвищення в'язкості і пластичності. Розрізняють низький, середній і високий відпустку.

Низький відпустку проводиться при температурі 150 ... 200 ° С. У результаті знімаються внутрішні напруги, відбувається деяке збільшення пластичності і в'язкості без помітного зниження твердості. Утворюється структура мартенсит відпустки. Низьким відпуску піддають ріжучий і міряльний інструмент, а також деталі, які повинні володіти високою твердістю і зносостійкістю.

При середньому відпустці проводиться нагрів до 350 ... 450 ° С. При цьому відбувається деяке зниження твердості при значному збільшенні межі пружності і поліпшенні опірності дії ударних навантажень. Структура стали являє собою тростит відпустки, який має зернисте, а не пластинчаста будова. Застосовується для пружин, ресор, ударного інструменту.

Високий відпустку проводиться при 550 ... 650 ° С. В результаті твердість і міцність знижуються значно, але сильно зростають в'язкість і пластичність і виходить оптимальне для конструкційних сталей поєднання механічних властивостей. Структура сталі - сорбіт відпустки з зернистим будовою цементиту. Застосовується для деталей, що піддаються дії високих навантажень. Термічна обробка, що складається з гарту і високого відпустки, називається поліпшенням. Вона є основним видом обробки конструкційних сталей.
^ 4.3 Поверхневе зміцнення стали
Поверхневе загартування а полягає у нагріванні поверхневого шару сталевих деталей до аустенітного стану і швидкого охолодження з метою отримання високої твердості і міцності в поверхневому шарі у поєднанні з в'язкою серцевиною. Існують різні способи нагріву поверхні під загартування - в розплавлених металах або солях, полум'ям газового пальника, лазерним випромінюванням, струмом високої частоти. Останній спосіб набув найбільшого поширення в промисловості.

При нагріванні струмами високої частоти гартувати деталь поміщають всередині індуктора, що представляє собою мідні трубки з циркулюючої всередині для охолодження водою. Форма індуктора відповідає зовнішній формі деталі. Через індуктор пропускають електричний струм (частотою 500 Гц ... 10 МГц). При цьому виникає електромагнітне поле, яке індукує вихрові струми, що нагрівають поверхню деталі. Глибина нагрітого шару зменшується зі збільшенням частоти струму і збільшується із зростанням тривалості нагрівання. Регулюючи частоту і тривалість, можна отримати необхідну глибину загартованого шару, що знаходиться в межах 1 ... 10 мм.

Перевагами гарту струмами високої частоти є регульована глибина загартованого шару, висока продуктивність (нагрівання однієї деталі триває 10 с), можливість автоматизації, відсутність окалинообразования. Недолік - висока вартість індуктора, який є індивідуальним для кожної деталі. Тому цей вид гарту застосуємо, в основному, до великосерійному і масовому виробництву.

Перспективний метод поверхневого гарту сталевих деталей складної форми - лазерна обробка. Завдяки високій щільності енергії в промені лазера можливий швидкий нагрів дуже тонкого шару металу. Подальший швидке відведення тепла в обсяг металу призводить до загартування поверхневого шару з наданням йому високої твердості і зносостійкості.

^ Хіміко-термічна обробка - це процес зміни хімічного складу, структури і властивостей поверхні сталевих деталей за рахунок насичення її різними хімічними елементами. При цьому досягається значне підвищення твердості і зносостійкості поверхні деталей при збереженні в'язкої серцевини. До видів хіміко-термічної обробки відносяться цементація, азотування, ціанування та ін

Цементація - це процес насичення поверхневого шару сталевих деталей вуглецем. Цементація проводиться шляхом нагріву сталевих деталей при 880 ... 950 ° С в Углеродосодержащий середовищі, званої карбюризатором. Розрізняють два основних види цементації - газову і тверду. Газова цементація проводиться в газі, що містить метан СН 4 і оксид вуглецю СО. Тверда цементація проводиться в сталевих ящиках, куди вкладаються деталі упереміш з карбюризатором. Карбюризатором служить порошок деревного вугілля з добавкою солей Na 2 СО 3 або ВАЛТ 3.

Цементації піддають сталі з низьким вмістом вуглецю (0,1 ... 0,3%). У результаті на поверхні концентрація вуглецю зростає до 1,0 ... 1,2%. Товщина цементованного шару складає 1 ... 2,5 мм.

Цементацією досягається тільки вигідне розподіл вуглецю по перетину деталі, Висока твердість і зносостійкість поверхні виходить після гарту, яка обов'язково проводиться після цементації. Потім слід низький відпустку. Після цього твердість поверхні становить HRC 60.

Азотуванням називається процес насичення поверхні стали азотом. При цьому підвищуються не тільки твердість і зносостійкість, але і корозійна стійкість. Проводиться азотування при температурі 500 ... 600 ° С в середовищі аміаку NН 3 протягом тривалого часу (до 60 год) Аміак при високій температурі розкладається з утворенням активного атомарного азоту, який і взаємодіє з металом.

Твердість сталі підвищується за рахунок утворення нітридів легуючих елементів. Тому азотуванню піддають тільки леговані сталі. Найбільш сильно підвищують твердість такі легуючі елементи, як хром, молібден, алюміній, ванадій. Глибина азотированного шару становить 0,3 ... 0,6 мм, твердість поверхневого шару за Віккерсом доходить до Н V 1200 (при цементації Н V 900).

До переваг азотування перед цементацією слід віднести відсутність необхідності в додатковій термообробці, більш високу твердість і зносостійкість, високу корозійну стійкість поверхні. Недоліками є низька швидкість процесу і необхідність застосування дорогих легованих сталей.

Ціанування (нітроцементація) - це процес одночасного насичення поверхні сталі вугіллі родом і азотом. Проводиться ціанування в розплавах ціанистих солей NaСН або KCH або в газовому середовищі, що містить суміш метану СН 4 і аміаку NH 3. Розрізняють низькотемпературне і високотемпературне ціанування.

Низькотемпературне ціанування проводиться при температурі 500 ... 600 ° С. При цьому переважає насичення азотом. Глибина ціанірованного шару становить 0,2 ... 0,5 мм, твердість поверхні - Н V 1000.

При високотемпературному ціануванні температура становить 800 ... 950 ° С. Переважає насичення вуглецем. Глибина поверхневого шару становить 0,6 ... 2,0 мм. Після високотемпературного ціанування слід гартування з низьким відпуском. Твердість після термообробки становить HRC 60.

Поверхневе зміцнення пластичним деформуванням засновано на здатності стали до наклепу при пластичній деформації (див. розділ 2.1). Найбільш поширеними способами такого зміцнення поверхні є дробеструйная обробка та обробка поверхні роликами або кульками.

При дробеструйной обробці на поверхню деталі зі спеціальних дробемет направляється потік сталевий або чавунної дробу малого діаметра (0,5 ... 1,5 мм). Удари концентруються на вельми малих поверхнях, тому виникають дуже великі місцеві тиску. В результаті підвищується твердість і зносостійкість обробленої поверхні.

Крім того, згладжуються дрібні поверхневі дефекти. Глибина зміцненого шару при дробеструйной обробці становить близько 0,7 мм.

Обкатка роликами проводиться за допомогою спеціальних пристосувань на токарних верстатах. Крім зміцнення, обкатка знижує шорсткість оброблюваної поверхні. Глибина зміцненого шару доходить до 15 мм.
^ 5. Легованої сталі
Легованої називають сталь, що містить спеціально введені в неї з метою зміни будови і властивостей легуючі елементи.

Леговані сталі мають цілий ряд переваг перед вуглецевими. Вони мають більш високі механічні властивості, перш за все, міцність. Леговані сталі забезпечують більшу прокаливаемость, а також можливість отримання структури мартенситу при загартуванні в маслі, що зменшує небезпеку появи тріщин і викривлення деталей. За допомогою легування можна надати стали різні спеціальні властивості (корозійну стійкість, жаростійкість, жароміцність, зносостійкість, магнітні та електричні властивості).

Класифікація сталей за різними ознаками була розглянута раніше (див. розділ 3.2). Зазначимо тільки, що стали звичайної якості, можуть бути тільки вуглецевими, тобто леговані сталі, як мінімум, є якісними.

Маркуються леговані сталі за допомогою цифр і букв, що вказують приблизний хімічний склад сталі. Перші цифри в марці показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Далі показується зміст легуючих елементів. Кожен елемент позначається своєї буквою: Н - нікель, Г - марганець, Ц - цирконій, Т - титан, X - хром, Д - мідь, С - кремній, А - азот, К - кобальт, Р - бор, П - фосфор, Ф - ванадій, М - молібден, Б - ніобій, В - вольфрам, Ю - алюміній. Цифри, що йдуть після букви, вказують приблизний зміст даного легуючого елемента у відсотках. При вмісті елементу менше 1% цифра відсутня. Наприклад, сталь 12Х18Н10Т містить приблизно 0,12% вуглецю, 18% хрому, 10% нікелю, менше 1% титану. Для деяких груп сталей застосовують іншу маркування, яка буде вказана при розгляді цих сталей.
^ 5.1. Конструкційні сталі
Конструкційні стали йдуть на виготовлення деталей машин, конструкцій і споруд. Вони повинні забезпечувати тривалу і надійну роботу деталей і конструкцій в умовах експлуатації. Тому основна вимога до конструкційних сталям - комплекс високих механічних властивостей.

^ Будівельні сталі містять малі кількості вуглецю (0,1 ... 0,3%). Це пояснюється тим, що деталі будівельних конструкції зазвичай з'єднуються зварюванням. Низький вміст вуглецю забезпечує хорошу зварюваність.

В якості будівельних використовуються вуглецеві сталі Ст2 і СтЗ, мають межа плинності σ 0.2 = 240 МПа. У низьколегованих будівельних сталях при вмісті близько 1,5% Мn і 0,7% Si межа плинності збільшується до 360 МПа. До цих сталям відносяться 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Додаткове легування невеликими кількостями ванадію і ніобію (до 0,1%) підвищує межу текучості до 450 МПа за рахунок зменшення величини зерна. До сталям такого типу відносяться 14Г2АФ, 17Г2АФБ.

Наведені стали застосовують для будівельних конструкцій, армування залізобетону, магістральних нафтопроводів і газопроводів.

^ Цементуемие сталі містять 0,1 ... 0,3% вуглецю. Вони піддаються цементації, гарту і низькому відпуску. Після цієї обробки твердість поверхні становить HRC 60, а серцевини HRC 15 ... 40. Зміцнення серцевини в цих статях тим сильніше, чим більше вміст легуючих елементів. Залежно від ступеня зміцнення серцевини цементуемие сталі можна розділити на три групи.

До сталям з незміцнюючих серцевиною відносяться вуглецеві цементуемие стали 10, 15, 20. Їх серцевина має ферито-пер-літний структуру. Ці сталі мають високу зносостійкість, але малу міцність (σ в = 400 ... 500 МПа). Тому вони застосовуються для маловідповідальних деталей невеликих розмірів.

До сталям із слабо Упрочняются серцевиною відносяться низьколегованісталі 15Х, 15ХР, 20ХН та ін Серцевина має структуру бейнит. Ці сталі мають підвищену міцність (σ в = 750 ... 850 МПа).

До сталям з сильно Упрочняются серцевиною відносяться, стали 20ХГР, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4В та ін серцевинних має мартенситную структуру. Стали цієї групи мають високу міцність (σ в = 1200 ... 1600 МПа) і застосовуються для великих деталей, що зазнають значні навантаження.

^ Улучшаем сталі містять 0,3 ... 0,5% вуглецю і невелика кількість легуючих елементів (до 3 ... 5%). Ці сталі піддаються поліпшенню, що складається з гарту в маслі і високого відпустки. Після термообробки мають структуру сорбіту. Механічні властивості різних марок покращуваною сталі в разі наскрізний прокаливаемости близькі (σ в = 900 ... 1200 МПа). Тому прокаливаемость визначає вибір сталі. Чим більше легуючих елементів, тим вище прокаливаемость. Отже, чим більше перетин деталі, тим більше леговану сталь слід використовувати. За прожарюємо ості покращувані сталі можуть бути умовно розбиті на п'ять груп.

У першу трупу входять вуглецеві сталі 35, 40, 45, мають критичний діаметр D кр = 10 мм (див. розділ 4.2.). Ці сталі піддаються нормалізації замість поліпшення.

До другої групи відносяться сталі, леговані хромом ЗОХ, 40Х. Для них критичний діаметр складає D кр = 15 ... 20 мм.

Третю групу складають хромисті сталі, додатково леговані ще одним двома елементами (крім нікелю) ЗОХМ, 40ХГ, ЗОХГСА та ін Для цих сталей D кр = 20 ... 30 мм.

Четверта група представлена ​​хромонікелеві сталі, що містять близько 1% нікелю: 40ХН, 40ХНМ та ін Їх критичний діаметр ^ D кр = 40 мм.

У п'яту групу входять сталі, леговані поруч елементів, причому вміст нікелю доходить до 3 ... 4%: 38ХНЗ, 38ХНЗМФ (D кр = 100 мм). Це кращі марки поліпшуються сталей, хоча вони порівняно дороги.

^ Високоміцні сталі. Новітня техніка пред'являє високі вимоги до міцності сталі (σ в = 1500 ... 2500 МПа). Цим вимогам відповідають мартенітностареющіе стали поєднують високу міцність з достатньою в'язкістю і пластичністю. Вони являють собою практично безуглеродістие (до 0,03% С) сплави заліза з нікелем (17 ... 26% Ni), додатково леговані титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом.

Широке поширення набула сталь Н18К9М5Т. Вона піддається загартуванню на повітрі з 800 ... 850 ° С. Високу міцність маргенсітностареюшіе стали отримують в результаті старіння, що представляє собою відпустку, вироблений при температурі 450 ... 500 ° С. У результаті такої термообробки сталь Н18К9М5Т має межу міцності σ в = 2000 МПа.

Крім згаданої вище стали знайшли застосування стали Н12К8МЗГ2, МЮХ11М2Т, Н12К8М4Г2 та інші. Мартенсітностаре ющіе стали застосовують в авіаційній промисловості, в ракетній техніці, суднобудуванні і т. д. Вони мають гарну зварюваність і оброблюваністю. Ці сталі є досить дорогими.

^ Пружинні сталі. У пружинах і ресорах використовуються лише то пружні властивості сталі. Виникнення пластичної деформації в них неприпустимо, тому високих вимог до пластичності і в'язкості не пред'являється. Основна вимога до пружинної сталі - високий межа пружності σ y (див. розділ 1.2). Хороші пружні властивості стали досягаються при підвищеному вмісті вуглецю (0,5 ... 0,7%) і застосуванні термообробки, складається з гарту і середнього відпустки при температурі 350 ... 450 ° С. Після такої термообробки сталь має тростітную структуру.

Вуглецеві пружинні сталі (65, 70, 75) внаслідок низької прокаливаемости використовуються для пружин невеликого перерізу. Вони можуть працювати при температурі до 100 ° С. Стали, леговані кремнієм і марганцем (60С2, 60СГ та ін) призначені для великих за розміром пружних елементів і забезпечують їх тривалу і надійну роботу. Для відповідальних пружин застосовують високоякісні сталі леговані хромом і ванадієм (50ХФА. 50ХГФА). Ці сталі можуть працювати при температурі до 300 ° С. З них виготовляють, наприклад, ресори легкових автомобілів.

^ Зносостійкі стали здатні чинити опір процесу зношування. Зношування - це процес поступового руйнування поверхневих шарів деталей, що труться, який призводить до зменшення їх розмірів (зносу). Зносостійкі сталі можна розділити на три групи.

У першу групу входять сталі, зносостійкість яких досягається високою твердістю поверхні. Вони піддаються гарту і низькому відпуску або хіміко-термічній обробці.

Мають структуру мартенситу або мартенситу з КАРБІДНИЙ включеннями. До цієї групи відносяться підшипникові сталі, з яких виготовляються кульки і ролики підшипників кочення. Вони маркуються літерами ШХ і цифрою показує вміст хрому в десятих частках відсотка, містять також марганець і кремній (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ). Зміст вуглецю в них близько 1%.

До другої групи відносяться сталі, зносостійкість яких досягається змащуючою дією графіту. Ці сталі мають в структурі графітні включення, які в процесі зношування виходять на поверхню і виконують роль сухий мастила. Ці сталі мають високий вміст вуглецю (~ 1,%) і кремнію (~ 1%), що підвищує здатність до графітизації. Ці сталі піддаються графітізірующій відпалу, який аналогічний відпалу ковкого чавуну (див. розділ З.З.).

Третю групу складають стали зносостійкість, яких досягається підвищеною схильністю до наклепу. Це, перш за все, сталь 110Г13. Вона має невисоку твердість, яка при дії тиску і ударів різко підвищується, за рахунок чого і досягається зносостійкість. Ця сталь піддається загартуванню від 1100 ° С у воді, після чого отримує аустенітні структуру. Погано обробляється різанням, тому застосовується в литому стані.
^ 5.2. Стали зі спеціальними властивостями
Корозійностійкі (нержавіючі) сталі. Корозією називається руйнування металу під дією зовнішнього агресивного середовища в результаті її хімічного або електрохімічного впливу. Розрізняють хімічну корозію, зумовлену впливом на метал сухих газів і неелектролітів (наприклад, нафтопродуктів) і електрохімічний, що виникає під дією рідких електролітів або вологого повітря. За характером корозійного руйнування розрізняють суцільну і місцеву корозію. Суцільна корозія захоплює всю поверхню металу. Її ділять на рівномірну і нерівномірну залежно від того, однакова чи глибина корозійного руйнування на різних дільницях. При місцевій корозії поразки локальні. Залежно від ступеня локалізації розрізняють плямисту, виразкову, точкову, міжкристалітну та ін види місцевої корозії.

Найнадійніший спосіб захисту від корозії - застосування корозійностійких сталей. Корозійна стійкість досягається при введенні в сталь елементів, що утворюють на її поверхні тонкі та міцні оксидні плівки. Найкращий з цих елементів - хром. При введенні в сталь 12 ... 14% хрому вона стає стійкою проти корозії в атмосфері, воді, ряді кислот, лугів і солей. Сталі, що містять меншу кількість хрому, схильні до корозії точно так само, як і вуглецеві сталі. У техніці застосовують хромисті і хромонікелеві Корозійностійкі сталі.

Хромисті Корозійностійкі сталі можуть містити 13, 17 або 25 ... 27% хрому. Стали марок 08X13, 12X13, 20X13 піддаються загартуванню від 1000 ° С та відпуску при 600 ... 700 ° С. Їх застосовують для виготовлення деталей з підвищеною пластичністю, що працюють в слабоагресивних середовищах. Стали 30X13, 40X13 піддаються загартуванню та відпуску при 200 ... 300 ° С. З них виготовляють ріжучий, міряльний і хірургічним інструмент.

Стали 12X17, 15X28 мають більш високу корозійну стійкість. Піддаються відпалу при температурі 700 ... 780 ° С.Іспользуются для обладнання заводів легкої та харчової промисловості, труб, що працюють в агресивних середовищах, для кухонного посуду.

Хромонікелеві стали зазвичай містять 18% хрому і 9 ... 12% нікелю (04Х18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т та ін.) Вони мають більш високу корозійну стійкість в порівнянні з хромової сталі, кращі механічні властивості, добре зварюються. Ці сталі мають аустенітні структуру. Їх термообробка складається з гартування від температури 1100 ... 1150 ° С у воді без відпустки.

Хромонікелеві стали схильні до міжкристалітної корозії. Вона швидко поширюється по межах зерен без помітних зовнішніх ознак. Це відбувається внаслідок утворення карбідів хрому по межах зерен, що призводить до зменшення вмісту хрому в поверхневому шарі зерна: Щоб карбіди хрому не утворювалися, треба або використовувати сталі з пониженим вмістом вуглецю (до 0,04%), або додатково легувати сталь титаном, що зв'язує вуглець у карбід титану.

Використовуються хромонікелеєві стали в харчовій та хімічній промисловості, в холодильній техніці. Оскільки нікель дорогий елемент, іноді його частково замінюють марганцем і використовують сталь-10Х14П4Н4Т.

^ Інші методи захисту від корозії. Поширеним засобом захисту від корозії є нанесення на захищається метал різних покриттів. Металеві покриття наносяться різним способами. При зануренні в розплавлений метал поверхню виробу покривається тонким і щільним шаром, твердіє після виймання виробу. Цей спосіб застосовується для нанесення покриттів цинком, оловом, свинцем і алюмінієм, температура плавлення яких нижча, ніж у металу, що захищає. При дифузійної металізації виріб засипають порошками алюмінію, хрому, цинку і витримують при високій температурі. При напиленні поверхню виробу покривають шаром розплавленого металу (цинку, алюмінію, кадмію I ін) за допомогою повітряного струменя. При Зовнішня оболонка захищається метал піддають спільній прокатці з захищає (алюмінієм, титаном, нержавіючою сталлю).

Гальванічний спосіб нанесення покриттів заснований па осадженні під дією електричного струму тонкого шару захисного металу (хрому, нікелю, міді, кадмію) при зануренні захищається вироби в розчин електроліту.

Неметалеві покриття підрозділяються на лакофарбові та емалеві, смоляні, покриття плівковими полімерними матеріалами, гумою, мастильними матеріалами, керамічні покриття. Покриття, одержувані хімічної та електрохімічної обробкою, перетворюють поверхневий шар виробу в хімічне з'єднання, що утворить суцільну захисну плівку. Найбільше поширення мають оксидні і фосфатні захисні плівки.

Протекторна захист заснована на приєднанні до захищається виробу протектора з більш негативним електрохімічним потенціалом. У агресивному середовищі протектор буде анодом, і руйнуватися, а захищається виріб - катодом і руйнуватися не буде.

Для зменшення агресивності навколишнього середовища в неї, вводять добавки, звані інгібіторами корозії. Вони значно знижують швидкість корозії. Умовою використання інгібіторів є експлуатація вироби в замкнутому середовищі постійного складу.

Жаростійкі і жароміцні сталі. Під жаростійкими сталями розуміють сталі, що володіють стійкістю проти хімічного руйнування поверхні при високій температурі (понад 550 ° С).

При нагріванні стали відбувається окислення поверхні і утворюється оксидна плівка (окалина). Подальше окислення визначається швидкістю проникнення атомів кисню через цю плівку. Через плівку оксидів заліза вони проникають дуже легко. Для підвищення жаростійкості сталь легують елементами, що утворюють щільну плівку, через яку атоми кисню не проникають. Ці елементи - хром, алюміній, кремній. Так як алюміній і кремній підвищують крихкість сталі, найчастіше застосовують хром. Чим більше його зміст, тим більше жароміцної є сталь. Сталь 15X5 витримує до 600 ° С, 40Х9С2 - до 800 ° С, розглянуті раніше 12X17 - до 900 ° С і 15X28 - до 1050 ° С.

Жароміцні матеріали здатні протистояти механічним навантаженням при високих температурах. Жароміцні сталі класифікуються за структурою.

Перлітні стали містять малу кількість вуглецю, легується хромом, молібденом, ванадієм (12ХМ, 12Х1МФ). Використовують для виготовлення труб, паропроводів та ін деталей, тривало працюють при температурі 500 ... 550 ° С.

Мартенситні стали у великій кількості леговані хромом (15X11МФ, 15Х12ВНМФ). Вони використовуються для деталей енергетичного обладнання, тривало працюючого при температурі 600 ... 620 ° С. Особливу групу мартенситних сталей складають сільхроми, застосовувані для клапанів двигунів внутрішнього згоряння. Вони додатково леговані кремнієм (40Х9С2, 40Х10С2М).

Аустенітні сталі, леговані великою кількістю хрому і нікелю, а також іншими елементами (09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР). З цих сталей виготовляють деталі газових турбін, що працюють при температурі 600 ... 700 ° С.

Для роботи при більш високих температурах (700 ... 900 ° С) служать сплави на основі нікелю, звані німонік. Прикладом німонік є сплав ХН77ТЮР, що містить крім нікелю приблизно 20% Сг, 2,5% Т1, 1% А1.

Для роботи при температурах понад 1000 ° С використовують тугоплавкі метали та їх сплави. Це - хром, ніобій, молібден, тантал, вольфрам. Вони використовуються в атомній енергетиці і в космічній техніці.

Температури 1500 ... 1700 ° С витримують жароміцні керамічні матеріали на основі карбіду і нітриду кремнію.
^ 5.3. Інструментальні сталі і сплави
За призначенням інструментальні сталі поділяються на сталі для різального, вимірювального і штампового інструменту. Крім сталей, для виготовлення ріжучого інструменту застосовуються металокерамічні тверді сплави і мінералокераміческіе матеріали. Ріжучий інструмент працює в складних умовах, схильний інтенсивного зносу, при роботі часто розігрівається. Тому матеріал для виготовлення ріжучого інструменту повинен мати високу твердість, зносостійкість і теплостійкістю. Теплостійкість - це здатність зберігати високу твердість і ріжучі властивості при тривалому нагріванні.

Вуглецеві інструментальні сталі містять 0,7 ... 1,3% вуглецю. Вони маркуються літерою У і цифрою, що показують вміст вуглецю в десятих частках відсотка (У7, У8, У9, ..., У13). Буква А в кінці марки показує, що сталь високоякісна (У7А, У8А, ..., У13А). Попередня термообробка цих сталей - відпал на зернистий перліт, остаточна - гартування у воді або розчині солі і низький відпустку. Після цього структура сталі представляє собою мартенсит з включеннями зернистого цементиту. Твердість лежить в інтервалі HRC 56 ... 64.

Для вуглецевих інструментальних сталей характерні низька теплостійкість (до 200 ° С) і низька прокаливаемость (до 10 ... 12 мм). Однак в'язка незагартована серцевина підвищує стійкість інструменту проти поломок при вібраціях і ударах.

Крім того, ці стали досить дешеві і в незагартованим змозі самі добре обробляються.

Стали У7 ... У9 застосовуються дня виготовлення інструменту, що зазнає ударні навантаження (зубила, молотки, сокири). Стали У 10 ... У 13 йдуть на виготовлення інструменту, що володіє високою твердістю (напилки, хірургічний інструмент). Сталі У8 ... У12 застосовуються також для вимірювального інструмента.

Низьколеговані інструментальні сталі містять у сумі близько 1 ... 3% легуючих елементів. Вони мають підвищену в порівнянні з вуглецевими сталями прокаливаемостью, але теплостійкість їх невелика - до 400 ° С. Основні легуючі елементи - хром, кремній, вольфрам, ванадій.

Маркуються ці стали так само, як конструкційні, але вміст вуглецю дається в десятих частках відсотка. Якщо перша цифра в марці відсутній, то вміст вуглецю перевищує 1%. Наприклад 9ХС, ХВГ, ХВ5.

Термообробка низьколегованих інструментальних сталей - гартування в олії та відпуск при температурі 150 ... 200 ° С. При цьому зазвичай досягається наскрізна прокаливаемость. Твердість після термообробки становить HRC 62 ... 64.

Завдяки більшій прокаливаемости і загартування у маслі низьколеговані сталі використовуються для виготовлення інструменту великої довжини і великого перерізу (наприклад, свердел діаметром до 60 мм). Застосовуються для ручного інструменту по металу і вимірювального інструменту.

Швидкорізальні сталі, призначені для роботи при високих швидкостях різання. Головне їх достоїнство - висока теплостійкість (до 650 ° С). Це досягається за рахунок великої кількості легуючих елементів - вольфраму, хрому, молібдену, ванадію, кобальту. Маркуються швидкорізальні стали буквою Р, число після якої показує середній вміст вольфраму в%. Далі йдуть позначення та утримання інших легуючих елементів. Зміст вуглецю в усіх швидкорізальних сталях приблизно 1%, а хрому 4%. Тому ці елементи в марці не вказуються. Наприклад, Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф2К8.

Термообробка швидкорізальних сталей полягає загартуванню від високих температур (1200 ... 1300 ° С) і трикратному відпустці при 550 ... 570 ° С. Триразовий відпустку застосовується для того, щоб позбутися від залишкового аустеніту, який присутній після гарту у кількості приблизно 30% і знижує ріжучі властивості. Після термообробки сталь має мартенситную структуру з КАРБІДНИЙ включеннями. Твердість після термообробки становить HRC 64 ... 65.

Швидкорізальні сталі застосовуються для інструменту, що використовується для обробки металу на металорізальних верстатах (різці, фрези, свердла). Для економії дорогих швидкорізальних сталей ріжучий інструмент часто виготовляється збірним або зварним. Робочу частину зі швидкорізальної сталі приварюють до основної частини інструменту з конструкційної сталі.

Металокерамічні тверді сплави являють собою спечені порошкові матеріали, основою яких служать карбіди тугоплавких металів, а сполучною - кобальт. Їх теплостійкість доходить до 900 ... 1000 ° С, а твердість НКА 80 ... 97.

Тверді сплави діляться на три групи. Вольфрамові виготовляються на основі карбіду вольфраму і кобальту. Маркуються буквами ВК і цифрою показує вміст кобальту в% (ВК2, ВК6, ВК10). Тітановол'фрамовие тверді сплави містять додатково карбід титану. Вони маркуються буквами Т, К і цифрами. Після букви Т вказується зміст карбіду титану в%, а після букви К - кобальту (Т15К10, Т15К6). Тітанотанталовольфрамовие містять додатково карбід титану. Маркуються буквами ТТ, після яких вказується сумарний вміст карбідів титану і танталу в% і буквою К, після якої вказується вміст кобальту (ТТ7К12, ТТ10К8).

Тверді сплави виготовляються у вигляді пластин які припаиваются до державки з вуглецевої сталі. Застосовують тверді сплави для різців, свердел, фрез та іншого інструменту. Головний недолік твердих сплавів - висока крихкість.
Навчальний матеріал
© uadoc.zavantag.com
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації