Сутність, призначення та класифікація видів

Тема 6.ТЕОРІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛІ

Сутність, призначення та класифікація видів

Термічної обробки

Основними параметрами, які впливають на результати термічної обробки, є температура і час. Тому графік будь-якої термічної обробки має такий… Рис.6.1. Графік термічної обробки

Перетворення в сталі при її нагріванні

В теорії і практиці термічної обробки широко використовують умовні позначення критичних точок, які наведені в табл.6.1. Будь-який процес термічної обробки сталі починається з операції її нагріву.Для… Таблиця 6.1

Перетворення, що відбуваються в сталі при її охолодженні

Охолодження є найважливішою операцією термічної обробки, під час якої формується структурно-фазовий склад та відповідні фізико-механічні властивості… При повільному охолодженні вуглецевої сталі, яка набула аустенітного стану при… Процеси розпаду переохолодженого аустеніту поділяють на два типи:

Перетворення, що відбуваються у сталі при відпусканні

При вивченні перетворень, які відбуваються у сталі при відпусканні, було встановлено, що при відпусканні загартованої сталі відбуваються чотири… Перше перетворення - це перехід мартенситу з тетрагональною ґраткою,… При нагріванні до 200…300 оС у сталі відбувається друге перетворення: розпад другої структурної складової загартованої…

Технологією термічної обробки передбачається вибір операцій і режимів термообробки у відповідності з умовами обробки і роботи деталей машин, конструкцій, інструментів, а також вимогам, які ставляться до структури і властивостей матеріалів, і технічними умовами. Технологічні процеси термообробки ґрунтуються на теорії фазових перетворень при нагріванні та охолодженні. Режими обробки для конкретних деталей визначаються за довідниками.

Однією з основних задач при виборі режимів є прискорення процесів термообробки, що може бути досягнуто зменшенням часу нагрівання. Загальний час нагрівання складається з часу нагрівання до заданої температури і часу витримки при ній, який визначається структурними перетвореннями в сплаві і не залежить від інших факторів.

Обладнання, потрібне для виконання термообробки, поділяється на основне, додаткове та допоміжне. До основного відноситься обладнання для нагрівання (печі, ванни, апарати й установки), для охолодження (гартувальні баки, машини, ванни) і для обробки холодом (холодильні установки). До додаткового обладнання відносяться установки для очищення деталей від солі, масла, окалини (мийні машини, травильні установки, дробоструминні апарати) та пристрої для правлення та гнуття деталей після гартування. До допоміжного обладнання відносять установки для приготування захисних атмосфер і охолодження гартувальних рідин.

 

Відпалювання

Рекристалізаційне відпалювання застосовують для зняття наклепу і внутрішніх залишкових напруг у сталі після її холодної обробки тиском… Відпалювання для зняття внутрішніх залишкових напруг призначене для зменшення… Дифузійне (гомогенізаційне) відпалювання застосовують для злитків і фасонних виливків великих розмірів з легованих…

Нормалізація сталі

Метою нормалізації є отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїних сталях, зняття внутрішніх залишкових напруг і наклепу, отримання однорідної… Середньовуглецева і низьколегована сталі після нормалізації отримують…  

Гартування сталі

Існує декілька різновидів гартування сталі. В залежності від товщини загартованого прошарку розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне… Рис.7.3.Схеми режимів охолодження при різних способах гартування: 1 – безперервне гартування; 2 – переривчасте…

Відпускання

У залежності від температури нагріву розрізняють низький, середній і високий відпуск. Низький відпуск характеризується температурами нагрівання… На рис.7.4 наведені криві зміни механічних властивостей сталі 40 після…

Термомеханічна обробка (ТМО) сталі

Сутність термомеханічної обробки полягає у сполученні пластичної деформації сталі в аустенітному стані та її гартуванні. Формування структури… При високотемпературній термомеханічній обробці (ВТМО) (рис.7.5, а) сталь…

Тема 8. ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ

Сутність, призначення та основні процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці сталі

При ХТО деталь розміщують у середовищі з високим вмістом елемента, який дифундує у метал. Процес насичення поверхневого шару металу цим елементом… На першому етапі відбуваються хімічні реакції у середовищі, в якому розміщена… CH4 → Caт+2H2; (8.1)

Цементація сталі

Цементація – це технологічний процес дифузійного насичення поверхневого шару стальних деталей вуглецем. Цементацію здійснюють для отримання твердої, стійкої до зношення поверхні, що… Для цементації звичайно використовують низьковуглецеві сталі, які містять 0,1...0,25 % вуглецю. Це забезпечує…

Азотування сталі

Азотуванням називають процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі азотом. Вперше був здійснений в 1913 р. М.П. Чижевським. Азотування проводять для підвищення твердості, стійкості до зношення, границі… 1) вища твердість азотованого шару(до1200HV);

Ціанування (нітроцементація) сталі

Ціануванням називають процес дифузійного насичення поверхневого шару стальних деталей одночасно вуглецем і азотом. Ціанування застосовують для… Рідке ціанування, в залежності від температури процесу, поділяється на… Низькотемпературне ціанування проводять при низьких температурах (560...600 0С), що призводить до насичення поверхні…

Дифузійне насичення металами (металізація) і неметалами.

В залежності від стану середовища, в якому відбувається процес, розрізняють такі основні способи дифузійної металізації: 1) занурювання в розплавлений метал; 2) насичення з розплавлених солей, які містять дифундуючий елемент;

Тема 9. ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

Вартість легованих сталей значно вища вартості вуглецевих сталей тому, що легуючі елементи суттєво дорожчі за залізо (табл. 9.1.). Тому деталі з… Таблиця 9.1 Відносна вартість заліза і легуючих елементів. Метал Відносна вартість Метал Відносна …

Вплив легуючих елементів на поліморфізм заліза і на ферит

Усі легуючі елементи за впливом на поліморфізм заліза поділяють на дві групи. Елементи першої групи (Ni, Mn, C, N, Cu) підвищують точку А4 і знижують точку… Елементи другої групи, навпаки, знижують точку А4 і підвищують точку А3 , тобто розширюють α- і звужують g…

Вплив легуючих елементів на перетворення в сталі

В сталях, які леговані карбідоутворюючими елементами (Cr, Mo, W), є два максимуми швидкості ізотермічного перетворення аустеніту (рис. 9.2 б). У практичному плані найбільш важливою є здатність легуючих елементів…

Класифікація та маркування легованих сталей

За рівноважною структурою леговані сталі поділяють на такі групи: - доевтектоїдні сталі, структура яких - ферит і перліт; - евтектоїдні сталі, які мають перлітну структуру;

Конструкційні леговані сталі

1) сталі, що цементуються; 2) сталі, що поліпшуються; 3) ресорно-пружинні сталі;

Інструментальні сталі

- пониженої прогартовуваності (переважно вуглецеві); - підвищеної прогартовуваності ( леговані); - штампові;

Корозійностійкі (нержавіючі) сталі

Сталі, стійкі до електрохімічної корозії, називаються корозійностійкими (нержавіючими). Корозійна стійкість досягається введенням у сталь елементів,… Нержавіючі сталі за хімічним складом поділяють на дві основні групи: хромисті… Хромисті нержавіючі сталі застосовують трьох типів: з 13, 17 і 25 % хрому. У сталях з 13 % хрому вміст вуглецю може…

Алюміній і сплави на його основі

Сталими домішками в алюмінію є залізо, кремній, мідь, цинк, марганець і деякі інші. В залежності від їх сумарної місткості первинний алюміній… Алюміній особливої чистоти (марка А999) містить 0,001 % домішок, алюміній… Алюміній особливої чистоти застосовують для дослідницьких робіт, у напівпровідниковій і ядерній техніці. У…

Деформівні алюмінієві сплави

До деформівних алюмінієвих сплавів, що не зміцнюються термічною обробкою, належать сплави на основі алюмінію і марганцю і на основі алюмінію і… Сплави типу Al-Mn позначають літерами АМц, а сплави типуAl-Mn – літерами АМг.… Зміцнювальна термічна обробка сплавів АМц і АМг є малоефективною. Значно більший ефект дає деформування у холодному…

Рис. 9.1. Діаграма стану сплавів Al-Cu

 

Дуралюміни містять 3,8...5,2 % Cu, 0,4...1,8 % Mg, 0,3...0,9 % Mn. Марки цих сплавів позначають літерою Д і числом, яке вказує номер сплаву, наприклад, Д1, Д6, Д16 тощо. На практиці для підвищення міцності дуралюміни гартують з 500 ^оС у воді та піддають штучному старінню при 100...200 ^оС. Безпосередньо після гартування сплав має σв=250 МПа, а після старіння – σв=410...520 МПа. Зміцнюючою фазою крім q-фази є S-фаза (CuMgAl2), твердість якої досягає НV564.

Головними легуючими елементами авіалів є магній і кремній, а основною зміцнювальною фазою - β-фаза (Mg2Si). Авіалі марок АВ, АД31 і АД33 мають високу пластичність, зварюваність і стійкість до корозії, але дещо поступаються за міцністю дуралюмінам. З авіалів виготовляють деталі літаків, двигунів і напівфабрикатів (листи, труби тощо).

Кувальні алюмінієві сплави характеризуються доброю пластичністю і задовільною міцністю. Такі сплави позначаються літерами АК і числом, що позначає номер сплаву, наприклад, АК1, АК5, АК8 тощо. За хімічним складом кувальні сплави близькі до дуралюмінів, хоча вміст кремнію дещо вищий. Зміцнювальними фазами є Mg2Si, CuAl2, і ω-фаза. Гарячу обробку тиском (куванням, штампуванням тощо) виконують в інтервалі температур 420...470^оС. Сплав марки АК6 використовують для середньонавантажених деталей, а АК8 – для високонавантажених деталей.

Високоміцні сплави найміцніші з сплавів алюмінію, хоча за пластичністю поступаються дуралюмінам. Їх маркують літерою В (високоміцні) і умовним номером. Розчинність в алюмінії легуючих елементів (цинку, магнію і міді) зменшується, а під час охолодження вони утворюють інтерметалеві сполуки: фазу Т (Al2Mg3Zn3), фазу М (MgZn2), фазу S (Al2CuMg). Наявність у структурі цих фаз підвищує міцність сплавів. Водночас цинк і магній знижують пластичність і стійкість до корозії.

Сплави В95 і В96 використовують в авіабудуванні для виготовлення високонавантажених деталей, які працюють при температурах до 100 ^оС.

Жароміцні сплави (АК4-1, АK-4) зберігають свої механічні властивості до температури 300^оС, тому їх застосовують для виготовлення деталей двигунів і обшивок надзвукових літаків. Порівняно з іншими сплавами алюмінію жароміцні сплави містять більшу кількість легуючих елементів з додаванням заліза, нікелю і титану. Залізо й нікель утворюють фазу Al9FeNi, яка підвищує жароміцність.

Ливарні алюмінієві сплави

Сплави першої групи, які містять 6...13 % кремнію, називають силумінами. Більшість силумінів – це доевтектичні сплави (рис. 9.2), структура яких… Найпоширенішими марками силумінів є АК12, АК9 і АК7. літерою А позначають, що… Силуміни широко використовують для виготовлення литих деталей приладів, корпусів турбін, насосів, блоків циліндрів…

Магній та його сплави

Сплави магнію можна зміцнювати гартуванням і штучним старінням. Гартування ливарного сплаву здійснюється з нагріванням до температури близько 400оС,… Магнієві сплави погано деформуються при нормальній температурі. Для підвищення… З магнієвих сплавів, що деформуються, виготовляють деталі автомобілів, літаків, ткацьких верстатів тощо. З ливарних…

Титан і його сплави

Чистий титан має такі механічні характеристики: σв=250 МПа, d=60%, y=80%. Зі зниженням чистоти міцність титану підвищується, а пластичність і… Титан – хімічно активний метал, але на повітрі швидко покривається захисною… Титан погано оброблюється різанням і добре – тиском, добре з’єднується дуговим і контактним електричним зварюванням.

Сплави на основі титану

Найістотніше підвищують міцність (при одночасному зниженні пластичності) титанових сплавів залізо, марганець, хром і молібден. Легуючі елементи за їх впливом на температуру поліморфного перетворення титану… - a-стабілізатори;

Мідь і її сплави

Мідь має високу стійкість до корозії, її легко обробляти тиском, паяти і зварювати, проте вона має невисокі ливарні властивості і погано… Підвищення механічних властивостей досягається утворенням різних сплавів на… Легуючі елементи у сплавах міді позначають такими літерами: А - алюміній, Б – берилій, Ж – залізо, К – кремній, Мц –…

Латуні

Латуні – це дво- або багатокомпонентні мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. Двокомпонентні латуні системи Cu-Zn відносять до простих, а багатокомпонентні, які містять ще й інші елементи – до спеціальних.

Завдяки поєднанню добрих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найбільш поширені серед мідних сплавів.

Структура простих латуней у рівноважному стані описується діаграмою стану Cu-Zn (рис.9.3), яка складається з двох діаграм з перитектичним перетворенням. Відповідно до неї при вмісті цинку до 39 % латуні мають структуру однофазного a-твердого розчину цинку в міді. Такі латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. Максимальну пластичність мають латуні, що містять ~37 % Zn.

При вмісті Zn>39% у структурі латуні з’являється b¢-фаза – впорядкований твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn, тобто структура латуні стає двофазною (a+b¢). Такі латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.

З появою у структурах твердої і крихкої b¢-фази від початку до концентрації 45 % спостерігається інтенсивне збільшення міцності, а перехід до однофазного стану (фаза b¢) зумовлює раптовий спад σв . Таким чином, латуні з вмістом цинку понад 45 % характеризуються низькою міцністю, тому практичного застосування в техніці не мають.

Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи. Так, алюміній, марганець, залізо і кремній підвищують міцність і твердість, однак при цьому знижують її пластичність. Алюміній, марганець, олово і нікель підвищують корозійну стійкість латуней.

За технологічною ознакою латуні поділяються на деформівні та ливарні.

До деформівних латуней належать однофазні (α) і двофазні (α+b¢). Маючи дуже високу пластичність, однофазні латуні легко обробляються тиском в холодному і гарячому стані. Щоправда, холодна пластична деформація не лише істотно підвищує міцність і твердість, а й зменшує пластичність (явище наклепу). При потребі наклеп можна зняти рекристалізаційним відпалюванням при температурі 500...600 ^оС. Двофазні латуні в холодному стані менш пластичні, тому обробляти їх тиском рекомендується при температурах понад 700 ^оС.

Двокомпонентні латуні маркують літерою Л і числом, яке вказує вміст міді у сплаві, %, наприклад, Л96, Л90, Л62. У латуні марки Л90 вміст міді становить 90%, решта (10%) – Zn. Якщо латунь додатково легована іншими елементами, то після літери Л ставляться літери, що вказують легуючі елементи, а після них число, що вказує вміст міді в %, та числа, які вказують вміст легуючих елементів (у тому ж порядку). Наприклад, ЛЖМц 59-1-1 – це латунь, що містить 59 % Cu, 1 % Fe, 1 % Mn.

З латуней виготовляють трубки теплообмінників (Л70), гільзи патронів (Л68, Л70), прутки, дріт, стрічки тощо.

 

Рис. 9.3. Діаграма стану Cu-Zn

 

Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, залізо і марганець знижують рідкотекучість, а олово (при вмісті до 2,5 %) її підвищує. Ливарні латуні маркують таким чином: після літери Л ставлять літеру Ц (цинк) та число, яке вказує вміст цинку в сплаві (у відсотках), потім літери та числа, які вказують легуючі елементи та їх вміст (також у відсотках). Наприклад, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – це ливарна латунь, яка містить 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, решта – Cu.

З ливарних латуней виготовляють сантехнічну арматуру (ЛЦ40С), гайки, вінці черв’ячних коліс (ЛЦ23А6Ж3Мц2), шестерні, втулки підшипників (ЛЦ38Мц2С2) тощо.

Бронзи

Бронзи – це дво- або багатокомпонентні сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм хромом та іншими елементами, серед яких цинк не є основним.

Серед бронз найпоширенішими є багатокомпонентні, рідше – двокомпонентні. В залежності від основного легуючого елементу бронзи поділяють на олов’яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві та інші, а за технологічною ознакою – ливарні і деформівні.

Бронзи мають добрі ливарні властивості. Їх усадка при литті в три рази менша, ніж у стальних виливках. Більшість бронз мають достатньо високу корозійну стійкість. Вони широко використовуються як антифрикційні сплави.

Маркують бронзи літерами Бр, за якими слідують літери, що вказують легуючі елементи, та числа, які вказують їх процентний вміст. Позначення легуючих елементів у бронзах такі ж, як і у латунях. Наприклад, БрОЦС5-5-5 – це деформівна бронза з вмістом 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb, решта (85%) – мідь. У марках ливарних бронз числа, які вказують вміст легуючих елементів, ставлять за відповідною літерою. Наприклад, БрО5Ц5С5 – це ливарна бронза, яка містить 5% Sn, 5% Zn і 5% Pb, решта – мідь.

Олов’яні бронзи

При їх кристалізації утворюються такі тверді фази: - a-твердий розчин олова в міді з ГЦК-граткою (максимальна розчинність 15,8 %… - b-твердий розчин на базі електронної сполуки Cu5Sn;

Алюмінієві бронзи

У рівноважному стані (рис.9.5) мідь з алюмінієм утворює обмежений a-твердий розчин з граничною розчинністю при нормальній температурі (20оС) 9,4%Al.… b ® a + g¢. (9.2)

Кремнієві бронзи

Кремнієві бронзи – це сплави міді з кремнієм. Їх застосовують як замінник олов’яних бронз. Вони характеризуються більшою усадкою, ніж олов’яні бронзи, вищими корозійною стійкістю і механічними властивостями, а також високою пружністю. До кремнієвих належать бронзи БрК4, БрКМц3-1.

Берилієві бронзи

Розчинність берилію в міді зі зниженням температури від 866оС до 300оС зменшується від 2,7 до 0,2% (рис. 9.6). Це використовують для отримання… Застосовують берилієві бронзи для виготовлення пружин, мембран, слюсарного…  

Підшипникові (антифрикційні) сплави

- низький коефіцієнт тертя з матеріалом спряжуваної деталі; - достатньо високу твердість і зносостійкість, але не викликати при цьому… - добру теплопровідність, що необхідно для запобігання її перегріву в процесі роботи;

Тема 11. НЕМЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ

Пластичні маси 11.1.1. Пластичні маси, їх властивості та склад

Перевагами пластмас є: - високі діелектричні властивості; - низька звуко- і теплопровідність;

Гумові матеріали

– висока еластичність – відносне видовження досягає 1000%; – мала стискаємість; – висока стійкість до зношення;

Література

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544с.

3. Материаловедение и технология металлов. /Г.П. Фетисов, М.Г.Карпман, В.М.Матюнин и др. – М.: Высш.шк., 2001. – 638с.

4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983. – 384с.

5. Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: Высш.шк., 1991. – 448с.

6. Материаловедение /Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косола-пов и др. – М.: Машиностроение, 1986. – 384с.

7. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство. – РВА «Дніпро-VAL», 2000. – 290с.

8. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металоведение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1972. – 480с.

9. Попович В.В., Попович В.В. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Підручник. – Львів: Світ, 2006. – 624 с.