Неметаллические материалы

1.Материаловедение как наука занимается изучением связи между сос-тавом, строением и свойствами материалов. Свойства материалов опреде-ляются не только химическим составом, но и их структурой (внутренним строением). Изменять структуру можно различными способами: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико-термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов также оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером, космические условия и т. д. Главное в материаловедении это достижение необходимых свойств материа-лов подбором их состава и структуры.

Материаловедение включает два больших раздела:

• металлы и сплавы;

• неметаллические материалы.

Основными конструкционными материалами, используемыми в машиностроении, ещё долго будут оставаться металлические сплавы. Это связано с тем, что металлы и сплавы на их основе обладают комплексом механических, физических, химических и технологических свойств, обеспечи-вающих широкое их применение в различных отраслях техники. Кроме того, металлы и сплавы составляют 85…95 % от массы машин. Поэтому при изучении материаловедения металлам и их сплавам уделяется главное внимание.

Все металлы условно делят на черные (железо и сплавы на его основе — сталь, чугун) и цветные (все остальные). Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы на основе железа. Они составляют более 90 % всей металлопродукции. Поэтому много лет основой машиностроения служили чёрные металлы - стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность и низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют до 20 % годового производства изделий из стали и чугуна.

Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. В связи с этим наряду со сталями всё шире используются такие конструкционные материалы, как сплавы на основе титана, алюминия, магния. Эти лёгкие и прочные сплавы позволяют в 2…3 раза облегчить конструкцию машин и оборудования, в десятки раз уменьшить расходы на ремонт.

Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина, композиционные материалы и др. Использование неметаллических материалов приводит к экономии дефицитных металлических материалов, снижает затраты энергии на производство изделий, уменьшает их массу. Установлено, что один кг конструкционных пластмасс заменяет 4…5 кг чёрных металлов. Трудоёмкость выпуска одной тонны пластмассовых изделий в среднем на 450 человеко-часов меньше, чем того же количества металлических. При этом в 2…3 раза уменьшаются затраты и энергоресурсов. Но использование их в промышленности невелико (до 4 %) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось.

Наблюдается тенденция к всё большей разработке и использованию технической керамики на основе самых распространённых в природе элементов – N, C, Si, O₂ и другие, которые имеют практически неограниченную сырьевую базу.

Материаловедение базируется на научных основах химии, физики и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Знания основ материаловедения необходимы каждому специалисту, работающему в области создания и эксплуатации современных машин. Лишь зная свойства материалов, можно конструктору – научно обоснованно выбрать их для того или иного использования, технологу правильно спроектировать технологический процесс их обработки с высокими технико-экономическими показателями, экономисту машиностроительного производства – правильно рассчитать экономическую эффективность выбранной технологии и технологического оборудования.

Материаловедение подготавливает студента к освоению специальных дисциплин, изучающих основные производственные технологии и процессы.

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирова-ния структуры и свойств материалов при их различных способах обработки литьём, давлением (пластической деформацией), термической обработке, а также при эксплуатации для эффективного их использования в технике.

Основными задачами материаловедения являются:

•правильный выбор материала и способа его обработки для конкретной детали, работающей в определённых условиях;

•создание новых материалов с заданным комплексом свойств и улучшение существующих сплавов;

•изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения,

•сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

2/

Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием внешних сил. К основным… Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию… Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием…

Стационарные приборы для измерения твёрдости вдавливанием при статическом нагружении

Твердомер изготовлен в соответствие с требованиями ГОСТ 23677–79 (DIN EN 50150, EN ISO 18265, ASTM E 140 - 05) и позволяет провести измерение… При выборе способа измерения легко можно заменить индентор, предварительно…

Дефекты кристаллического строения

Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией… Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией… Включение в кристаллическую решетку атома другого элемента также изменяет ее совершенное строение (см. рис. 1.4, б). …

Основные типы диаграмм состояния

Чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов — двухкомпонентные системы и т. д. Диаграмм состояния строят для… Диаграммы состояния позволяют правильно выбирать режимы термической обработки,… Диаграммы состояния, дающие наглядные представления о превращениях в двойных металлических сплавах при нагреве и…

Диаграмма состояния железо- цементит

По вертикальной оси диаграммы откладывается температура, по горизонтальной оси—содержание (в %) углерода и цементита. Точка А на диаграмме… Линия ABCD — линия ликвидуса; она соответствует температурам начала… Линия AHJECF — линия солидуса; она соответствует концу за­твердевания сплава. В области между линиями ликвидуса и…

Классификация и маркировка литейных сталей.

К литейным сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие

до 2,14 % С и другие элементы (Мn, Si, P, S, Cr, Ni, W, Mo, V и др.), попавшие в сталь из шихтовых материалов либо специально введенные в нее в определенных количествах для придания сплаву необходимых эксплуатационных и технологических свойств.

Стальные отливки по объему производства занимают второе место по-

сле чугуна и применяются во всех отраслях машиностроения. Из стали отли-

вают детали, к которым предъявляют повышенные требования по прочности,

пластичности, надежности и долговечности в процессе эксплуатации. В машиностроении для изготовления стального фасонного литья в соответствии с ГОСТ 977 и ГОСТ 7832 применяются три группы литейных сталей: нелегированные (углеродистые), легированные, легированные со спецсвойствами.

 

Классификация литейных сталей

Литейные стали	Марки сталей	Характеристика
1	2	3
Конструкционные нелегированные	15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л
Конструкционные легированные	20ГЛ, 35ГЛ, 20ГСЛ, ЗОГСЛ, 20ПФЛ, 20ФЛ, ЗОХГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 20ХМЛ, 20ХМФЛ, 20ГНМФЛ, 35ХМЛ, 30Х- НМЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ДХЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДХ- Н1МФЛ,23ХГС2МФЛ, 12Х7ГЗСЛ, 25Х2ГНМ- ФЛ, 27Х5ГСМЛ, 30ХЗСЗГМЛ, 03Н12Х5М- ЗТЛ, 03Н12Х5МЗТЮЛ
Легированные со специальными свойствами:
мартенситного класса	20X13Л, 08X14НДЛ, 09Х16Н4БЛ, 09Х17НЗСЛ, 10Х12НДЛ	Коррозионностойкие
20Х5МЛ, 20Х8ВЛ, 40Х9С2Л	Жаростойкие
20Х12ВНМФЛ	Жаропрочные
85Х4М5Ф2В6Л (Р6М5Л)	Быстрорежущие
мартенситно-феррит- ного класса	15Х13Л	Коррозионностойкие
ферритного класса	15Х24ТЛ	Коррозионностойкие
аустенитно-мартенсит- ного класса	08Х15Н4ДМЛ, 08Х14Н7МЛ, 14Х18Н4Г4Л	Коррозионностойкие
аустенитно-ферритно- го класса	12Х25Н5ТМФЛ, 16Х18Н12С4ТЮЛ, 10Х18НЗГЗД2Л	Коррозионностойкие
аустенитного класса	10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 07Х17Н16ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ	Коррозионностойкие
55Х18Г14С2ТЛ, 15Х23Н18Л, 20Х25Н19С2Л, 18Х25Н19СЛ, 45Х17Г1ЗНЗЮЛ	Жаростойкие
35Х18Н24С2Л, 31X19Н9МВБТЛ, 12Х18Н12БЛ, 08Х17Н34Б5ТЗЮ2РЛ, 15Х18Н22В6М2РЛ, 20Х21Н46В8РЛ	Жаропрочные
11ОГ1ЗЛ, 110Г13Х2БРЛ, 11ОГ1ЗФТЛ	Износостойкие

Наиболее широко применяются для отливок углеродистые нелегиро-ванные стали (около 2/3 всех стальных отливок), их стандартные марки обозначаются буквой Л (литейная) и числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента; например, 15Л, 25Л, З0Л, 45Л, 50Л, 55Л и др. Цифра указывает содержание углерода в сотых долях процента, а буква Л указывает на принадлежность к литейным сталям. В этих сталях, как правило, содержится марганец в количестве 0,3 … 0,9 % и кремний - в количестве 0,2 …0,52 %. Хром, никель и медь допускается в этих сталях в количестве не более 0,3 % каждого. Содержание серы и фосфора ограничивается значениями 0,45 % и 0,04 % соответственно. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и увеличению жидкотекучести.

Углеродистые литейные стали применяются обычно в нормализованном, нормализованном и отпущенном состоянии, в улучшенном состоянии и после нормализации, закалки и высокого отпуска. В последнем случае нормализация выполняет роль предварительной термообработки, целью которой является подготовка литой структуры для окончательной термической обработки.

Для изготовления отливок применяют легированные и легированные стали со специальными свойствами (с. табл). Отливки из легированных сталей со специальными свойствами (коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и кавитационной стойкостью) должны удовлетворять требованиям ГОСТ 2176—77.

Легированные литейные стали обозначают цифрами и буквами аналогично деформируемым конструкционным сталям, за исключением того, что в конце литейной марки стоит буква Л вместо А, Ш, В, Д. Например, сталь 30ХГСЛ аналогична деформируемой стали 30ХГСА. Например, обозначение марки одной из конструкциионных сталей 20Х13Л: 0,20 % углерода; 13 % хрома; литейная сталь.

В обозначениях марок литейной хладостойкой и износостойкой сталей, используемых для деталей машин и эксплуатируемых при температуре до —60 °С, после буквы Л (литейная) ставится буква С. Например, 15ЛС—0,15 % углерода; 30ХМЛС: 0,30 % углерода; хром; молибден и др. (ГОСТ 21357—75).

В группу легированных литейных сталей входят марганцовистые (например, 35ГЛ), марганцекремнистые (например, 20ГСЛ), хромистые (например, 40ХЛ), хромоникелевые (например, 35ХНЛ), хромомарганцекремнистые (например, ЗОХНМЛ), хромомарганцеванадиевые (например, 23ХГС2МФЛ) и так называемые медистые (например, 08ГДНФЛ и 12ДН2ФЛ), в которые дополнительно специально введена медь (Д) для обеспечения эффекта дисперсного упрочнения стали.

Для удобства выбора легированных литейных сталей при изготовлении конкретных стальных отливок с заданным уровнем характеристик механических свойств все они разбиты на группы в соответствии с обеспечиваемой ими величиной предела текучести s_0,2, и обозначаемые после нормализации и отпуска буквой К, а после закалки и отпуска - буквами КТ.

В соответствии с этим все легированные литейные стали разделены на две группы:

стали, обеспечивающие категории прочности К в пределах от К-25 до К-55, и стали;

•стали, обеспечивающие категории прочности КТ в пределах от КТ-35 до КТ-120. Причем одни и те же стали могут входить в обе эти группы. Например, сталь 08ГДНФЛ может обеспечивать категорию прочности К-30 и КТ-40.

Индексы ≪К≫ и ≪КТ≫ являются условными обозначениями категории

прочности, следующее за ними число означает значение требуемого предела

текучести (кг/мм²). Индекс ≪К≫ присваивается материалу в отожженном, нормализованном состоянии; индекс ≪КТ≫ – после закалки и отпуска.

Точный химический состав сталей указывается в таблицах ГОСТ 977–88.

Можно отметить, что в разработанных в 80-е годы литейных высоко-прочных экономнолегированных сталях, входящих в ГОСТ 977, (например, 15Х5ГСФЛ, 23ХГС2МФЛ, 25Х212ФЛ, 17Х5Г5С2МЛ и 30Х3С3ГМЛ удалось получить наряду с высоким уровнем прочностных свойств также высокие значения пластичности и вязкости, которые сравнимы с аналогичными значениями деформируемых сталей.

Такие уникальные свойства в них удалось получить за счет снижения развития ликвационных процессов оптимизацией состава:

1) снижением содержания углерода;

2) снижением количества элементов, образующих стойкие химические соединения в виде карбидов, нитридов, которые ликвируют сильнее остальных;

3) введением в сталь элементов, уменьшающих ликвацию (Ni, Si и др). Высоколегированные литейные стали позволяют перейти на изготовление многих ответственных нагруженных деталей с кованного штампованного варианта на литейный.

К высоколегированным литейным сталям, представленным в ГОСТ 7832, входят коррозионностойкие стали 20Х13Л, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ и др., жаростойкие и жаропрочные стали 20Х20Н14С2Л, 20Х25Н19С2Л, 40Х24Н12СЛ и др.; износостойкая сталь 110Г13Л.

Для получения качественных стальных отливок необходимо учитывать особенности литейных свойств сталей на стадии конструирования литой детали и при разработке технологии ее изготовления. В технологии литья следует предусматривать расположение отливки в форме и подвод металла таким образом, чтобы отливка затвердевала последовательно. Скопления металла в местах сопряжения стенок недопустимы, поэтому отливка должна иметь плавные переходы от утолщенных мест к тонким или равномерную толщину стенок.

2/1

 

Виды термической обработки и их классификация

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава. Осно­воположником теории процессов термической обработки является Д. К. Чернов, обнаруживший критические точки стали. Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения (рис. 2.1).

Рис. 2.1. График термической обработки стали

 

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды (рис. 2.2): отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО) и др.

В зависимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве стали бывают мелко- или крупнозернистыми. Мелкозернистые стали в интервале температур нагрева 950...1000 °С почти не изменяют величину зер­на. У крупнозернистых сталей рост зерна начинается сразу же после перехода через критическую точку. Отсюда вытекает необходимость строгого соблюдения тех­нологических режимов термической обработки, оказы­вающих решающее влияние на качество изделий. Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических пре­вращений в твердом состоянии. Охлаждая стали из аустенитного состояния с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отли­чающиеся по строению и свойствам.

Рис 4.3. Схема классификация основных видов термической обработки металлов и сплавов.

НТМО – низкотемпературная термомеханическая обработка;

ВТМО – высокотемпературная термомеханическая обработка;

ПТМО – предварительная термомеханическая обработка;

ВНТМО – высоко- низко температурная термомеханическая обработка;

ВТМИзО – высокотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;

ТМИзО - термомеханическая изотермическая обработка

Рис. 2.2. Схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов:

2/2

 

Превращения в стали при нагреве

Для большинства видов термической обработки исходную перлитную структуру сталей нагревают до превращения в аустенитное состояние. Такое превращение… Исходная структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки…

2/4

Виды отжига и нормализация

Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур (точек Ас1, или Ас3,), выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно…     Рис. 2.9. Схема различных видов отжигов

Закалка и отпуск стали

После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке. Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых… Закалка—процесс нагрева стали выше точки Ас3 (полная закалка) или Ас1, (неполная) на 30...50°С с последующим быстрым…

Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) является сравнительно новым методом обработки, позволяющим повысить механические свойства металлических… Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к… Различают два основных вида ТМО:

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали

Легированными называют стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки для обеспечения требуемой структуры и придания сталям… Твердые растворы легирующих элементов в α–Fe (ОЦК решетка) называются… Легированный феррит является основой структуры некоторых нержавеющих сталей и может быть самостоятельной фазой или (и)…

Маркировка и классификация легированных сталей

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две циф­ры показывают содержание углерода (для конструкци­онных сталей —в сотых долях процента, для инструмен­тальных и нержавеющих—в десятых долях), затем ста­вится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее со­держание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — ко­бальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф—ванадий, Х—хром, Ц - цирконий. Ч — редкоземельные металлы, Ц — цирконий, Ю — алюминий. Например, сталь марки 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачест­венная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структу­ре после охлаждения на воздухе.

По назначению легированные стали делят на:

• конструкционные (маши­ностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также эле­ментов конструкций, в том числе и строительных;

• инст­рументальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.;

• стали и сплавы с особыми (специальными) свой­ствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

По химическому составу легированные стали классифицируются в зависимости от входящих в состав сталей легирую­щих элементов: их называют хромистыми, хромоникелевыми, марганцовистыми, ванадиевыми и т. п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на:

• доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтек-тоидные (имеющие перлитную структуру);

• заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды);

• ледебуритные (составной частью структуры яв­ляются пер-вичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легиро­ванные стали подразделяют на:

• перлитные (малолегиро­ванные);

• мартенситные (среднелегированные);

• аустенитные (высоколегированные);

• аустенито-ферритные.

В большинстве конструкционных сталей феррит при комнатной температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей часто не менее 90 % объема стали. Поэтому от феррита, во многом, зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующих элементов, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.

Установлено, что в основном легирующие элементы повышают твердость феррита (рис. 3.1). Наиболее сильно повышают твердость сталей Mn и Si Cr (рис. 3.1, а) и особенно Ni почти не уменьшают вязкость стали (рис. 3.1, б), никель найболее резко снижаетпорог хиароломкости (рис.3.1, в). Кроме того, Ni, Cr, Mn и некоторые другие элементы, хорошо (растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, увеличивая прокаливаемость стали.

Особенно повышается прокаливаемость при одновременном легировании стали Cr и Ni. Поэтому возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости, прокаливаемости делает Ni и Cr важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

	Рис. 3.1. Влияние легирующих элементов на свойства медленно охлажденного (нормализованного) феррита и порог хладноломкости: а- твердость, б- ударная вязкость, в- порог хладоломкости (по А. П. Гуляеву)

 

 

3/3

Конструкционные легированные стали

 

Конструкционные легированные стали

К конструкционным сталям относятся углеродистые и легированные стали. Введение ЛЭ в эти стали существенно повышает их конструкционную прочность, что… Конструкционные легированные стали делятся на строительные и… В зависимости от содержания углерода и термической обработки эти стали можно классифицировать следующим образом:

Инструментальные стали

• для режущего; • для штампового; • для измерительного инструмента.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристого цвета, характеризующийся низкой плотностью (2,7 г/см3), высокой пластичностью (δ = 40 %), низкими прочностью… Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые.

Алюминиевые литейные сплавы [ГОСТ 1583 - 93].

1. Алюминий - кремний – магний: АК12 (АЛ2); АК13 (АК13); АК9 (АК9); АК9с (АК9с); АК9ч (АЛ4); АК9пч (АЛ4-1); АК7 (АК7); АК7ч (АЛ9); АК7пч (АЛ9-1);… 2. Алюминий - кремний – медь: АК5М (АЛ5); АК5Мч (АЛ5-1); АК5М2 (АК5М2); АК5М7… 3. Алюминий – медь: АМ5 (АЛ19); АМ4,5Кд (ВАЛ10);

Деформируемые сплавы алюминия [ГОСТ 4784 - 90].

В зависимости от назначения деформируемые сплавы алюминия разделяются на сплавы высокой, средней и пониженной прочности, жаропрочные, криогенные,… Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термиче­ской… К термически не упрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (Аl - Мn) – cплавы типа АМц и с магнием (Аl…

Магний и его сплавы

Магний—металл светло-серого цвета с плотно­стью 1,74 г/см3 и температурой плавления 651 °С; имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую… Магний—химически активный металл, на воздухе окисляется с образованием… Пластическая деформация магния и его сплавов про­исходит при повышенных температурах. Следует отме­тить очень хорошую…

Медь и ее сплавы

Широкое применение меди обусловленно рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и термопроводностью, пластичностью, хорошей… Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и… Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель.…

Титан и его сплавы

Имеет две аллотропические модификации: α-низкотемператур-ную с плотноупакованной гексагональной кристаллической решеткой и… Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более коррозионностойкий, чем нержавеющие… Механические свойства титана прежде всего определяются составом: чем он чище (меньше примесей), тем ниже прочность и…