МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебник   Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Кушнера

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3.я73

 

© Омский государственный

ISBN 5-8149-0516-6 технический университет, 2008

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 7

Раздел I. Строение и свойства материалов 10

1. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 10

1.1. Металлы, их классификация и основные физические свойства.. 10

1.2. Различные агрегатные состояния

и кристаллическое строение металлов...................................................... .. 12

1.3. Реальное строение металлов и дефекты

кристаллических решеток 17

1.4. Строение сплавов.............................................................................. 19

 

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ................................................................................................. 23

2.1. Энергетические и температурные условия

процесса кристаллизации........................................................................ 23 2.2. Механизм и основные закономерности

процесса кристаллизации........................................................................ 24 2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм....................... 28

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ................................. 31 3.1. Механические свойства материалов................................................ 313.2. Деформации и напряжения............................................................... 333.3. Испытание материалов на растяжение

и ударную вязкость................................................................................... 363.4. Определение твердости..................................................................... 40 3.5. Упругая и пластическая деформации, разрушение........................ 423.6. Упрочнение и разупрочнение материалов,

наклеп и рекристаллизация..................................................................... 43

4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ............................................. 47 4.1. Правило фаз, построение диаграмм состояния.............................. 47 4.2. Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси

из чистых компонентов............................................................................ 48 4.3. Диаграмма состояния для сплавов

с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.................... 50 4.4. Диаграмма состояния для сплавов

с ограниченной растворимостью в твердом состоянии,

с эвтектикой............................................................................................... 51 4.5. Диаграмма состояния для сплавов

с ограниченной растворимостью в твердом состоянии,

с перитектикой.......................................................................................... 52

4.6. Диаграмма состояния для сплавов,

образующих химические соединения..................................................... 53 4.7. Диаграмма состояния для сплавов

с полиморфным превращением одного из компонентов...................... 53 4.8. Диаграмма состояния сплавов

с полиморфными превращениями компонентов

и эвтектоидным превращением............................................................... 54 Тесты для контроля текущих знаний..................................................... 56

 

Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка

железоуглеродистых сплавов...................................................................... 64

5. ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)»..................... 64 5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие

железоуглеродистых сплавов.................................................................. 64 5.2. Изменения структуры сталей при охлаждении.............................. 66 5.3. Изменение структуры чугунов при охлаждении............................ 68

6. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ................................................... 70 6.1. Классификация и свойства углеродистых сталей........................ 70 6.2. Классификация и свойства чугунов................................................ 73

7. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ.................................................................... 81 7.1. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали

на ее структуру......................................................................................... 81 7.2. Отжиг углеродистых сталей............................................................ 88

8. ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ............................ 92 8.1. Закалка углеродистых сталей........................................................... 92 8.2. Отпуск закаленных углеродистых сплавов..................................... 97 Тесты для контроля текущих знаний..................................................... 99

Раздел III. Конструкционные и инструментальные стали

и сплавы....................................................................................................... 107

9. ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ.................................................................... 107

9.1. Назначение легирования................................................................. 107

9.2. Влияние легирующих элементов на структуру

и механические свойства сталей.......................................................... 108

 

 

9.3. Влияние легирования на превращения

при термообработке............................................................................... 111

9.4. Маркировка и классификация легированных сталей.................. 113

 

10. УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ.................................................................... 116

10.1. Упрочнение легированием............................................................ 116 10.2. Упрочнение пластическим деформированием........................... 118 10.3. Упрочнение термическими методами......................................... 119 10.4. Цементация стали.......................................................................... 121 10.5. Азотирование стали....................................................................... 123 10.6. Нитроцементация........................................................................... 124 10.7. Поверхностное упрочнение.......................................................... 125

11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ 131

11.1. Строительные стали....................................................................... 131 11.2. Цементуемые (нитроцементуемые) стали.................................. 133 11.3. Улучшаемые стали......................................................................... 134

11.4. Износостойкие стали..................................................................... 135

11.5. Рессорно-пружинные стали.......................................................... 135 11.6. Подшипниковые стали.................................................................. 136 11.7. Автоматные стали.......................................................................... 137

12. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ, ЖАРОСТОЙКИЕ

И ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ............................................ 139 12.1. Коррозионная стойкость сталей и сплавов................................. 139 12.2. Коррозионностойкие стали........................................................... 141 12.3. Жаропрочные стали и сплавы....................................................... 144 12.4. Жаростойкие стали и сплавы........................................................ 150

 

13. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И РЕЗАНИЕМ............ 153 13.1. Условия работы деформирующих и режущих инструментов,

требования к инструментальным материалам.................................... 153 13.2. Инструментальные легированные (штамповые) стали.............. 156 13.3. Классификация режущих инструментальных материалов....... 159 13.4. Режущие инструментальные и быстрорежущие стали.............. 160

14. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ............................................................................. 165

14.1. Классификация твердых сплавов

и общая характеристика их свойств..................................................... 165 14.2. Режущая керамика......................................................................... 170

 

14.3. Сверхтвердые инструментальные материалы............................ 173 14.4. Абразивные материалы................................................................. 176

Тесты для контроля текущих знаний................................................... 178

Раздел IV. Цветные металлы и неметаллические материалы.......... 186

15. ТИТАНОВЫЕ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ.................................................. 186 15.1. Титан и его сплавы......................................................................... 186 15.2. Медь и ее сплавы............................................................................ 190

16. АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ.................................. 195 16.1. Алюминий и его сплавы................................................................ 195 16.2. Магний и его сплавы..................................................................... 201

17. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ............................................... 206 17.1. Полимеры и пластмассы............................................................... 206 17.2. Резиновые и клеящие материалы................................................. 209 17.3. Стекло, ситаллы, графит............................................................... 210 17.4. Композиционные материалы........................................................ 212 17.5. Композиционные материалы

с металлической матрицей.................................................................... 214 17.6. Композиционные материалы

с неметаллической матрицей................................................................ 216 Тесты для контроля текущих знаний................................................... 218

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................... 222

ВВЕДЕНИЕ

 

Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей машиностроительного профиля. Это связано, прежде всего, с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень своего развития, научно-технический и экономический потенциал государства.

Проектирование рациональных и конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения, которые являются важнейшим показателем образованности современного дипломированного специалиста. Кроме того, материаловедение служит базой для изучения многих специальных дисциплин.

Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Основная практическая задача материаловедения – изыскание оптимального состава и способа обработки материалов для придания им заданных свойств.

Материаловедение условно разделяется на теоретическое, рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих в материалах при различных воздействиях, прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литье, обработка давлением) и конкретные классы материалов.

Несмотря на то, что в машиностроении используются весьма различные материалы, основными конструкционными материалами являются металлы. Поэтому основное содержание курса относится к изучению металлических материалов – металловедения.

Российские ученые сыграли ведущую роль в развитии металловедения. Одним из них является П. П. Аносов, который в 1831 году впервые применил микроскоп в разработке методики исследования стали. В 1868 г. Д. К. Чернов открытием критических точек в стали установил подлинно научную причину изменения ее свойств при термической обработке, за что получил международное признание. Существенный вклад в развитие науки о металлах внесли Н. С. Курнаков, А. А. Байков, А. М. Бочвар,
Н. А. Минкевич, С. С. Штейнберг, А. П. Гуляев и другие российские ученые, а из зарубежных – А. Ледебур, Р. Аустен, Ф. Осмонд, Л. Троост,
А. Мартенс и др.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов периодической системы.

Наибольшее развитие неметаллическое материаловедение получило при создании синтетических материалов, в которых возможно проектировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения заданных свойств конечного продукта и готовых изделий.

Основы структурной теории химического строения органических соединений заложил великий русский химик А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). На основе исследований Г. С. Петрова (1907–1914 гг.) стало возможным промышленное производство первых синтетических фенопластов. Цепная полимеризация стала возможной в результате разработки Н. Н. Семеновым (1930–1940 гг.) теории цепных реакций.

Содержание учебника условно сгруппировано в четырех основных разделах. Первый раздел учебника посвящен теоретическому металловедению, а именно: строению и свойствам металлов и сплавов. Здесь приведены сведения о наиболее важных для практического применения металлах, их физических свойствах и связи этих свойств с электронным строением металлов. Дана классификация металлов, рассмотрены особенности и закономерности кристаллического строения металлов и сплавов, виды дефектов кристаллических решеток, закономерности кристаллизации металлов и сплавов при их переходе от жидкого в твердое состояние, а также превращения в твердом состоянии.

Важные физические понятия напряжений и деформаций рассмотрены не только с позиций физики твердого тела, но и на основе феноменологического подхода, с позиций механики сплошной среды. Даны определения основных механических характеристик материалов, описаны основные методы механических испытаний, рассмотрены закономерности упрочнения и разупрочнения материалов при их деформации и нагреве.

Описаны методика и правила построения диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния), рассмотрены основные типы диаграмм состояния сплавов, обладающих различной способностью к образованию твердых растворов, химических соединений или превращений в твердом состоянии.

Второй раздел учебника посвящен железоуглеродистым сплавам, наиболее широко распространенным в промышленности. Здесь рассмотрена диаграмма состояния «Железо – углерод (цементит)», приведена классификация углеродистых сталей и чугунов, описаны основные закономерности и виды термической обработки сталей.

В третьем разделе рассмотрено влияние легирования на свойства сталей, методы упрочнения сплавов, приведены сведения о маркировке, классификации, свойствах и областях применения различных конструкционных сталей. Особое внимание уделено коррозионностойким, жаростойким и жаропрочным сплавам, а также инструментальным сталям и другим инструментальным материалам для обработки металлов давлением и резанием.

В четвертом разделе рассмотрены наиболее применяемые цветные металлы (титан, медь, алюминий, магний) и сплавы на их основе, а также неметаллические материалы (полимеры и пластмассы, резина, клеи, стекло, ситаллы, графит, композиционные материалы).

Изучив дисциплину «Материаловедение», студент должен знать:

· основные свойства материалов, обеспечивающих качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства сплавов со специальными свойствами (коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);

· о влиянии свойств материалов на ресурсосбережение и надежность изделий, технологических процессов и средств автоматизации;

· основные типы кристаллических решеток и их дефектов, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и диаграмму «Железо – цементит»;

· классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

 

Студент должен владеть:

· методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;

· методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;

· методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;

· методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Для самоконтроля и проверки уровня подготовки студентов при изучении дисциплины «Материаловедение» в конце каждого из разделов приведены тесты.

 

Раздел I. Строение и свойства материалов

СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Металлы, их классификация и основные физические свойства

Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие «металлы», стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

·высокой тепло- и электропроводностью;

·положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью – у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);

·термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

·хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);

·повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ионами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d₀ (рис. 1.1).

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее d₀ или удаление на расстояние больше d₀ осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

 

Рис. 1.1. Силы взаимодействия двух атомов

 

Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по некоторым признакам их можно объединить в группы (рис. 1.2).

 

Щелочноземельные металлы

Тугоплавкие металлы

Рис. 1.2. Классификация металлов периодической системы Д. И. Менделеева

 

Металлы делятся на две большие группы – черные и цветные. Черные металлы делятся на:

· железные – железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали;

· тугоплавкие – титан, вольфрам, хром, молибден и др.; температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;

· урановые – актиний и актиноиды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики;

· редкоземельные – лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов;

· щелочноземельные – литий, натрий, кальций и другие, которые в свободном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

· легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

· благородные – серебро, золото, металлы платиновой группы. Обладают высокой устойчивостью против коррозии;

· легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец и др.

 

1.2. Различные агрегатные состояния и кристаллическое
строение металлов

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °С для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и некоторые теплофизические характеристики вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях, поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы – хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~10³–10⁴ К).

 

Таблица 1.1

Плотность, теплоемкость, температура плавления

и теплота плавления некоторых металлов

 

Металл	Плотность, 103 кг/м3	Теплоемкость, кДж/(кг*град) при 20 °С	Температура плавления, qпл , °С	Теплота плавления, L, кДж/кг
Алюминий	1,738	0,88	658,7	0,32–0,39
Вольфрам	19,35	0,24		–
Железо	7,874	0,45		0,293
Кобальт	8,90	0,45		–
Магний	1,848	1,3		0,373
Медь	8,96	0,39		0,214
Никель	8,91	0,46		0,24–0,30
Олово	7,29	0,23	231,9	0,059
Свинец	11,35	0,13	327,3	0,0225
Сталь	7,7–7,9	0,46	1300–1400	0,205
Чугун	7,0	0,5	1100–1200	0,096–0,14

 

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (~10 Нм = 10^–10 м), поэтому силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрирован-ную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК).

 

Рис. 1.3. Кристаллические решетки:
а) кубическая объемно-центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК),
в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

 

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Fe_α), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Fe_γ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности – отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

 

(001)

Рис. 1.4. Основные кристаллографические направления и плоскости

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани хоz, хоу, уоz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках (рис. 1.4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлений.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

 

1.3. Реальное строение металлов и дефекты кристаллических
решеток

 

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а – вакансии; б – межузельный атом основного вещества; в – примесный атом внедрения

 

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. место, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 1.5,а). Меж-узельный атом – атом, перемещенный из узла в позицию между узлами (рис. 1.5,б). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах из-за тепловых колебаний атомов при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т. д. ).

Атомы внедрения – это атомы примесного элемента, находящиеся в межузлиях кристаллической решетки (рис. 1.5,в).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства металла (электропроводность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

 

Рис. 1.6. Схема краевой дислокации в кристаллической решетке

 

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линейных несовершенств – краевые и винтовые дислокации. Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на различных технологических этапах их формирования. Наиболее распространенной является краевая дислокация (рис. 1.6). Она представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием атомной полуплоскости или экстраплоскости АВ.

Рис. 1.7. Схема определения вектора Бюргерса

 

Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. Дислокацию обозначают знаком ┴ или ┬ (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна – положительная или отрицательная). Различие между положительной или отрицательной дислокациями чисто условное. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 1.7), переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты. Наиболее важными являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.8) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1–5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т. к.соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов
(рис. 1.8,а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (рис. 1.8,б). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5 %), поэтому такие границы называются малоугловыми.

Рис. 1.8. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

 

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести σ_T связан с размером зерен зависимостью: σ_T = σ₀ + κd^–1/2,
где σ₀ и κ – постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

 

Строение сплавов

Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами. Сплав… В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимодействуя друг с… Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью,…

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

 

Энергетические и температурные условия

Процесса кристаллизации

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при… Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической… В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристаллизация и плавление) обусловлены тем, что новые…

Механизм и основные закономерности

Процесса кристаллизации

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов… Образование зародышей способствует флуктуации энергии, т. е. отклонение… Процесс образования кристаллов путем зарождения центров кристаллизации и их роста можно рассмотреть с помощью схем…

Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры… В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие…

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Механические свойства материалов

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления… В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза)… Механические свойства могут быть разделены на три основные группы.

Деформации и напряжения

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения… Рис. 3.1. Схема замены внешних сил на внутренние напряжения

Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость

(3.12) т. е. не учитывают изменение площади поперечного сечения образца и… Условный предел прочности sВ определяется как отношение максимальной силы Pmax к первоначальной площади поперечного…

Определение твердости

Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой закаленный шарик (индентор).…  

Упругая и пластическая деформации, разрушение

Упругая деформация для твердых тел обычно мала и пропорциональна приложенному напряжению. После снятия нагрузки тело восстанавливает свою форму и…  

Упрочнение и разупрочнение материалов,

Наклеп и рекристаллизация

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть… Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное… Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций…

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

 

Правило фаз, построение диаграмм состояния

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового… Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в… Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через…

Диаграмма состояния для сплавов, образующих

Химические соединения

Данная диаграмма получается, когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение АnВm , не диссоциирующее при нагреве вплоть до…   E2 A B, % …

Тесты для контроля текущих знаний

1. Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств: 1) высокими теплопроводностью и электрической проводимостью в твердом… 2) увеличивающимся электрическим сопротивлением при уменьшении температуры;

Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка

Железоуглеродистых сплавов

5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основными, наиболее… Основными компонентами диаграммы являются железо и углерод. Температура плавления железа 1539 °С. В твердом состоянии…

Изменения структуры сталей при охлаждении

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются… По содержанию углерода различают однофазное (сплав I) и двухфазное (сплав II)…

Изменение структуры чугунов при охлаждении

Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 5.4). Рис. 5.4. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe3C»

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание… В практике термической обработки сталей используются линии диаграммы РSК, SE,… Так как при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки положение этих линий не совпадает, то к предложенным…

Классификация и свойства углеродистых сталей

 

Согласно диаграмме «Fe – Fe₃C», сталь – это железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,14 % углерода. Реально в сталях, которые применяются в машиностроении, содержание углерода не превышает 1,4 %. В промышленных марках стали содержится ряд элементов в виде примесей, которые остались в металле при ее получении на металлургическом заводе. Такими примесями являются марганец, кремний, сера, фосфор, газы и случайные примеси.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,7 %, в инструментальных – 1,3 %, оказывает определенное влияние на их свойства. Углерод способствует снижению пластичности стали, развитию хладноломкости, уменьшению ударной вязкости, ухудшению свариваемости, увеличению твердости стали.

Снижение пластических свойств у сталей с повышенным и высоким содержанием углерода затрудняет холодную пластическую деформацию из-за опасности возникновения трещин. При изготовлении сварных конструкций также стараются использовать низкоуглеродистые стали (<0,2 % С).

Такое поведение стали объясняется изменениями в структуре. При повышении содержания углерода происходит увеличение количества перлита в доэвтектоидной стали и, соответственно, уменьшение количества мягкого феррита. Углерод способствует значительному возрастанию твердости, а прочность увеличивается только в доэвтектоидной стали. В заэвтектоидных сталях с образованием твердой и хрупкой самостоятельной фазы цементита их прочность уменьшается.

Марганец – полезная примесь, вводится в стали в качестве раскислителя и сохраняется в ней в количестве 0,3–0,8 %. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний также используется как раскислитель при выплавке стали. Он способствует увеличению предела текучести и предела прочности отожженной стали, повышает прокаливаемость. Кремний, как и марганец, в основном растворяется в феррите по типу замещения. Его количество не превышает 0,4 %.

Сера является вредной примесью в сталях. Она присутствует в виде сульфида железа FeS. Это соединение совместно с аустенитом образует эвтектику, которая плавится при температуре 988 °С. Эта эвтектика располагается по границам зерен и вызывает снижение прочности, охрупчивание при температуре выше 800 °С. При высоких температурах эвтектика может расплавляться, вызывая разрушение по границам зерен и образование трещин. Это явление называется красноломкостью и создает трудности при горячей обработке давлением сталей с высоким содержанием серы. Содержание серы в стали строго ограничивают 0,05 %. Положительное влияние серы проявляется в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор в большинстве случаев считается вредной примесью. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость – снижение вязкости по мере понижения температуры. Содержание фосфора в количестве всего 0,01 % повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Предельно допустимое количество фосфора в стали – 0,05 %.

Газы – кислород, азот и водород – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в очень малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами).

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Он образует в сталях флокены – внутренние надрывы в виде мелких трещин, что приводит к охрупчиванию стали. Количество газов в сталях ограничивается тысячными долями процента. Уменьшение количества газов в сталях достигается выплавкой стали в вакууме или с использованием электрошлакового переплава, а также другими способами. Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья или из руды. Стали, выплавленные из уральских руд, содержат 0,3 % меди. Из скрапа в сталь попадают сурьма, олово и другие металлы.

На долю углеродистых сталей приходится около 80 % общего объема выпуска сталей. Углеродистые стали более дешевые и имеют удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Существенным недостатком углеродистых сталей является небольшая прокаливаемость, что значительно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Углеродистые конструкционные стали выпускаются двух видов: обыкновенные и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) имеют повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщение и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют в большом количестве. Эти стали преимущественно используют в строительстве и поставляют горячекатаными в виде прутка, листа, уголка, швеллера и др.

Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифры от 0 до 6, показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением букв: «сп» – спокойная, «пс» – полуспокойная, «кп» – кипящая. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1–Ст6, кипящими – Ст1–Ст4. Ст0 по степени раскисления не разделяют. Три марки стали производят с повышенным (0,8–1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г».

Примеры сталей обыкновенного качества: Ст1кп, Ст3пс, Ст4сп, Ст3Гпс, Ст5пс.

Степень раскисления определяет различное содержание газов в стали и, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру
эксплуатации. Более надежны спокойные стали. Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ
535-88. Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Более прочные стали марок 4, 5, 6 используются в котло-, мосто- и судостроении.

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Обозначают их по ГОСТ 1050-88 двузначными числами (08, 10, 20…60), обозначающих среднее содержание углерода в сотых долях процента, например: сталь 45 содержит 0,45 % углерода. Спокойные стали маркируются только цифрой 15, 20, 45; кипящие обозначают 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали находят самое широкое применение в машиностроении, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Малопрочные и высокопластичные стали 08, 08кп, 10, 15 используют для холодной штамповки и глубокой вытяжки. Тонколистовую сталь 08кп широко применяют для кузовных деталей автомобилей. Цементуемые стали 15, 20, 25 предназначены для изготовления деталей малого размера (кулачки, толкатели, шестерни), для которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Эти свойства достигаются насыщением поверхностного слоя углеродом и последующей термической обработкой – закалкой и низким отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 отличаются высокой прочностью, но меньшей пластичностью. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. Номенклатура деталей из этих сталей очень разнообразна: шатуны, коленчатые валы, зубчатые колеса, маховики, оси, толкатели и т. д. Стали 55, 60 после термической обработки применяют для изготовления пружин, рессор, шайб и др.

Среди конструкционных углеродистых сталей есть так называемые автоматные стали. Это стали, которые за счет повышенного содержания серы (<0,3 %) и фосфора (<0,15 %) имеют хорошую обрабатываемость резанием (ГОСТ 1414–75). Маркируются автоматные стали буквой «А» и двумя цифрами, показывающими процентное содержание углерода в сотых долях: А12, А20, А30. При добавлении свинца в количестве
0,15–0,30 % их маркируют «АС»: АС1, …, АС14. При дополнительном легировании марганцем их обозначают, например, так: АС35Г2.

Классификация и свойства чугунов

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода и, согласно диаграмме «Fe–Fe₃C», затвердевающие с образованием эвтектики. Благодаря хорошим литейным свойствам, достаточной прочности, износостойкости при относительно низкой стоимости чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их применяют при получении отливок сложной формы при отсутствии высоких требований к размерам деталей и их массе.

Выплавляют чугун в доменных печах и получают передельные (белые), специальные (ферросплавы) и литейные (серые) чугуны. В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Если весь углерод, входящий в состав чугуна, находится в связанном виде как химическое соединение Fe₃С, то такой чугун называется белым. Его излом светлый, с металлическим блеском, отчего и происходит название. По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 727 ºС– из перлита и цементита (рис. 6.1).

Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость (4500–5500 НВ), износостойкость, хрупкость. Из-за очень низкой пластичности и плохой обрабатываемости резанием белые чугуны ограниченно применяются в машиностроении.

Для получения белого чугуна необходимо быстрое охлаждение отливки при минимальном количестве кремния и присутствие отбеливающих элементов – марганца или хрома. При таких условиях зарождение кристаллов графита становится невозможным и весь углерод идет на образование цементита.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой имеет структуру белого чугуна. Так можно изготовить валки прокатных станов, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемеха плугов и другие детали, на поверхности которых требуется высокая износостойкость.

Придать обрабатываемость белым чугунам можно только после того, как цементит распадется на графит и феррит. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Но включения графита снижают прочность и пластичность сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений.

Рис. 6.1. Микроструктура белого эвтектического (4,3 % углерода) чугуна

 

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита. Его излом темно-серый, без блеска, отчего и происходит название. Серый чугун – сплав сложного состава, содержащий основные элементы: Fe, C, Si и постоянные примеси: Mn, P, S. Содержание этих элементов находится в следующих пределах: 2,2–3,7 % С; 1,0–3,0 % Si; 0,2–1,1 % Мn; 0,02–0,2 % S; 0,02–0,3 % Р.

Углерод оказывает влияние на качество чугуна. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, но пониженное содержание углерода приводит к ухудшению литейных свойств. Поэтому для толстостенных отливок применяют чугун с более низким содержанием углерода, а для тонкостенных – с более высоким. Максимальное содержание углерода в серых чугунах ограничивается доэвтектической концентрацией.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием – способствует выделению графита при кристаллизации чугуна и разложению выделяющегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугуна, но улучшает механические свойства.

Сера – это вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугуна, понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор в небольшом (до 0,3 %) количестве растворяется в феррите. При большем содержании он образует вместе с железом и углеродом фосфидную эвтектику, которая плавится при температуре 950 °С, что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но при этом повышается твердость и хрупкость. Так в чугунах для художественного литья используется чугун с 1 % фосфора.

На структуру и свойства чугуна сильно влияют технологические факторы, особенно скорость охлаждения, которая зависит от толщины стенки отливки. Чем больше толщина стенки, тем медленнее охлаждается отливка и тем полнее проходит процесс графитизации. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации: из жидкой фазы выделяется цементит, вследствие распада которого при дальнейшем охлаждении образуется графит. Иногда ледебурит не разлагается полностью, а остается в структуре чугуна.

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы, но главным образом от количества, формы и размеров графитовых включений. Графит играет роль надрезов в металлической основе чугуна. Поэтому независимо от структуры основы относительное удлинение при растяжении серого чугуна не превышает 0,5 %. Чем меньше и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние на прочность. Сопротивление разрыву, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в структуре. Значительно слабее влияние графита при изгибе и особенно при сжатии.

Прочность при сжатии и твердость определяются в основном структурой металлической основы чугунов. Они близки к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна. Серый чугун обладает способностью гасить механические колебания, не чувствителен к надрезам, хорошо обрабатывается резанием. Из него изготавливают детали разного назначения – от нескольких граммов (поршневые кольца двигателей) до отливок в десятки тонн (станины станков). Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств. Детали из серого чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием.

Таблица 6.1

Механические свойства и структура некоторых марок серого чугуна

 

Марка	σВ, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Серый чугун (ГОСТ 1412–85)
СЧ15		–	1630–2100	Ф
СЧ25		–	1800–2500	Ф+П
СЧ35		–	2200–2750	П

 

Маркировка серых чугунов определяется ГОСТ 1412–85 и состоит из букв СЧ и числа, показывающего значение предела прочности при растяжении в кгс/мм², например: СЧ30.

Ферритные чугуны СЧ10, СЧ15 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны и т. д. Феррито-перлитные серые чугуны СЧ20, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных нагрузках: блоки цилиндров, барабаны сцепления, зубчатые колеса, станины станков и т. д. (рис. 6.2).

Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35 имеют более высокие механические свойства из-за мелких графитных включений. Измельчение графита достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием в количестве 0,5 % от массы чугуна. Модифицированные чугуны обладают более высокими свойствами и хорошей герметичностью. Их применяют для корпусов насосов, компрессоров, гидроприводов, тормозной пневматики и др.

 

 

Рис. 6.2. Микроструктура феррито-перлитного серого чугуна

 

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие – дополнительно содержат Cr и Al, жаропрочные – Cr, Ni и Mo. Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров. Такой нагрев составляет ~ 560 °С.

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования – в жидкий чугун добавляют магний в количестве 0,02–0,08 %. Магний вводится в ковш перед заливкой в формы не в чистом виде, а в виде лигатуры – сплава магния с никелем. Магний является поверхностно-активным элементом: в расплаве атомы магния образуют препятствия на поверхности растущего кристалла графита, увеличивая его поверхностную энергию. Поэтому становится энергетически выгодным образование кристалла с наименьшим отношением поверхности к объему, т. е. шару. После модифицирования высокопрочный чугун имеет следующий химический состав: 3–3,6 % С;
1,8–2,9 % Si; 0,4–0,7 % Мn; 0,02–0,08 % Mg; до 0,15 % Р; до 0,03 % S.

По химическому составу высокопрочные чугуны не отличаются от серых, но шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый, поэтому прочность и пластичность этих чугунов выше, чем серых. Значения механических свойств высокопрочных чугунов приведены в таблице 6.2.

В соответствии с ГОСТ 7293-85 марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, показывающего значение предела прочности при растяжении в кгс/мм², например: ВЧ50.

По структуре металлической основы высокопрочные чугуны могут быть ферритными или перлитными. Ферритный чугун состоит в основном из феррита и шаровидного графита; допускается до 2 % перлита. Структура перлитного чугуна состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита и шаровидного графита, допускается до 20 % феррита (рис. 6.3).

 

Таблица 6.2

 

Механические свойства и структура некоторых марок

высокопрочного чугуна

Марка	σв, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293–85)
ВЧ35			1400–1700	Ф
ВЧ45			1400–2250	Ф+П
ВЧ60			1920–2270	Ф+П
ВЧ80			2480–3510	П
ВЧ100			2700–3600	Б

 

Высокопрочные чугуны способны заменять сталь во многих изделиях и конструкциях. Они могут работать при высоких циклических нагрузках и в условиях износа. Из них изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы в тракторо- и автомобилестроении, поршни двигателей и др.

 

 

Рис. 6.3. Микроструктура феррито-перлитного высокопрочного чугуна

 

В некоторых случаях для улучшения механических свойств чугунов применяют термическую обработку: закалку и отпуск для повышения прочности и отжиг – для увеличения пластичности.

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. Графит в ковких чугунах формируется при термической обработке и в такой форме меньше снижает механические свойства металлической основы. Отливки из белых чугунов должны быть тонкостенными, толщиной не более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига. По этой причине в ковких чугунах находится пониженное содержание углерода и кремния: 2,4–2,9 % С; 0,8–1,5 % Si; 0,2–0,9 % Мn; до 0,2 % S; до 0,18 % Р.

Рис. 6.4. Схема режима отжига белого чугуна с получением
ферритного (1) и перлитного (2) ковкого чугуна

 

Отжиг на ферритный чугун проводится по режиму 1 (рис. 6.4), что обеспечивает графитизацию в две стадии. Первая стадия графитизации при температуре 950 ºС состоит в распаде цементита, находящегося в ледебурите. Это приводит к образованию структуры аустенита и включений углерода отжига. Вторая стадия графитизации протекает при медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур 720–740 °С. В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 60–80 часов формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига (рис. 6.5).

Перлитный ковкий чугун получают по режиму 2 (рис. 6.4). Продолжительность графитизации при температуре 1000 °С увеличивается, после чего отливки непрерывно охлаждают до комнатной температуры. Графитизации цементита, входящего в состав перлита, не происходит, поэтому чугун приобретает структуру перлита с включениями углерода отжига.

 

 

 

Рис. 6.5. Микроструктура ферритного ковкого чугуна

 

В отличие от пластинчатого графита в сером чугуне хлопьевидные включения меньше снижают механические свойства металлической основы, что делает ковкий чугун прочнее серого, хотя уступает высокопрочному чугуну (см. табл. 6.3).

Таблица 6.3

 

Механические свойства и структура некоторых марок

ковкого чугуна

 

Марка	σв, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Ковкий чугун (ГОСТ 1215–79)
КЧ30–6			1000–1630	Ф+ до 10%П
КЧ35–8			1000–1630
КЧ37–12			1100–1630
КЧ45–7			1500–2070
КЧ60–3			2000–2690	П+ до 20%П
КЧ80–1,5		1,5	2700–3200

Название «ковкий» условное, деформировать ковкие чугуны нельзя. В обозначении ковкого чугуна первая цифра показывает значение предела прочности при растяжении в кгс/мм², вторая – относительное удлинение в %, например, КЧ45–7.

Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении. Из них изготавливают детали высокой прочности, работающие в условиях износа при ударных и знакопеременных нагрузках. Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать отливки сложной формы и малой толщины: крышки картеров, редукторов, ступицы, муфты, втулки, звенья и ролики цепей конвейера.

Недостатком ковких чугунов является их более высокая стоимость из-за продолжительного отжига.

 

 

7. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и… Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае,… В исходном состоянии углеродистая сталь может иметь различную структуру в зависимости от содержания углерода:…

Отжиг углеродистых сталей

Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как… Эти виды термической обработки относятся как к сталям, так и к различным… Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими…

ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

8.1. Закалка углеродистых сталей   Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем…

Тесты для контроля текущих знаний

1. Твердый раствор внедрения углерода в Feα называется: 1) цементитом; 2) ферритом;

Раздел III. Конструкционные и инструментальные стали и сплавы

ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ

Назначение легирования

В настоящее время в качестве легирующих элементов используются хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий, кобальт, цирконий,… Введение легирующих элементов значительно усложняет взаимодействие компонентов… · в свободном состоянии (медь, свинец, серебро);

Влияние легирующих элементов на структуру

И механические свойства сталей

Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по… · расширяющие область Feγ (или легированного аустенита); · сужающие область Feγ.

Влияние легирования на превращения при термообработке

1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>Vкр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние… 2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение выражается в…

Маркировка и классификация легированных сталей

В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.

По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме₃С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом.

В соответствии с диаграммой «Fe – Fe₃C» доэвтектоидные стали содержат менее 0,8% углерода, эвтектоидные около 0,8%; заэвтектоидные 0,8–2,0% и ледебуритные примерно до 2,14%.

Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E (на диаграмме «Fe – Fe₃C») в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными, заэвтектоидными и ледебуритными сталями лежит в легированных сталях при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.

При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.

Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 9.5).

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры – перлит, сорбит, троостит.

У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо – аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.

 

Рис. 9.5. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а),
мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

 

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения в область отрицательных температур, поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуре, сохранит аустенитное состояние.

В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) стали разделяются на: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.п.

Кроме того, стали подразделяются по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс обеспечиваемых металлургическим процессом свойств, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей (серы и фосфора).

По качеству легированные стали подразделяются на качественные
(до 0,04 % S и до 0,035 % P), высококачественные (до 0,025 % S и до
0,025 % Р) и особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р).

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:

· конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами;

· инструментальные, применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Конструкционные стали подразделяются на:

· строительные;

· машиностроительные;

· стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К –кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах (при содержании 1–1,5 % и менее цифра отсутствует).

Например, сталь 12Х2НВФА в среднем содержит 0,12 % С; 2 % Cr,
1 % Ni, 1 % W, 1 % V. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная (ограничено содержание вредных примесей S < 0,03 %;
P < 0,03 %). Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС–Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (ШХ15), автоматных с буквы А (А30); буква Л в конце марки (110Г13Л) обозначает, что детали из данного сплава получают литьем.

В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, показывающая содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (Р18 – 18 % W, Р6М5 – 6 %W,
5 % Mo).

Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером, например: ЭИ415, ЭП617 и т. п. После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ

Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости… Любое упрочнение с энергетической точки зрения представляет собой создание… К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов;…

Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества… Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации… Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры…

Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышаются прочность, электросопротивление, снижаются пластичность,… Рис. 10.1. Зависимость механических свойств от степени деформации

Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в… Следуя классификации А. А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и… · собственно термическая;

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую… Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1–0,18 %. Для… При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики и засыпают древесным углем. При нагреве углерод…

Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает… До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и… NН3→N + 3Н.

Нитроцементация

Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят при более низких… Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую… Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием углерода до 0,25 %. Продолжительность процесса 4–10…

Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование.… Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости,… Поверхностную закалку осуществляют нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) или газовым пламенем.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладать запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении – сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии, хрупкому разрушению и т. д.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности, конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства – хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость.

 

Строительные стали

К низколегированным строительным сталям относятся низкоуглеродистые свариваемые стали, содержащие недорогие и недефицитные легирующие элементы и… Требования к сталям: · определенное сочетание прочностных и пластических свойств;

Цементуемые (нитроцементуемые) стали

Для изготовления деталей, находящихся под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют стали с содержанием углерода… Твёрдость поверхности готовой детали должна составлять около 58–62 HRC,… В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, со слабо-…

Улучшаемые стали

Улучшение обеспечивает высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью. Так, простая и дешевая конструкционная легированная сталь 40Х после… Для изготовления крупных изделий сложной формы, работающих при вибрационных и… Хромистые и хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости ІІ рода (обратимой), поэтому должны охлаждаться после…

Износостойкие стали

Эти стали контролируются на содержание фосфора, так как при повышенном его содержании сталь 110Г13Л хладноломка. Если фосфора в стали более 0,05 %,… Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и… Для изделий, подвергающихся износу в результате действия потока жидкости или газа, рекомендованы стали 30Х10Г10,…

Рессорно-пружинные стали

Стали для пружин и рессор содержат 0,5–0,7 % углерода. Их дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %),… Термическая обработка легированных пружинных сталей – закалка от 850–880 °С,… Структура после термообработки – троостит.

Подшипниковые стали

Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости. К сталям… Подшипниковые стали маркируют буквами Ш и Х, что означает шарикоподшипниковая… Подшипники, работающие в условиях агрессивных сред, изготавливаются из коррозионностойкой высокохромистой стали…

Автоматные стали

Повышение обрабатываемости резанием достигается технологическими и металлургическими приемами. Более эффективны металлургические приемы. Они… Эти включения создают в очаге резания внутреннюю смазку – тончайший слой,… Сера в количестве 0,08–0,3 % находится в воде сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают…

Коррозионная стойкость сталей и сплавов

Под повреждением понимается образование различных коррозионных дефектов (каверн, язв, питтингов, трещин), утонение толщины стенок, деградация… Коррозия является самопроизвольным процессом, вызванным термодинамической… Определить возможность протекания коррозии, как химического или электрохимического процесса, можно по изменению…

Коррозионностойкие стали

В зависимости от химического состава стали и сплавы разделяют на классы по основному составляющему элементу: хромистые, хромоникелевые,… Основной легирующий элемент в коррозионных сталях – хром с содержанием от… Активное состояние ∆m v …

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т. д., работающих… Повышение температуры существенно влияет на структуру и свойства материалов:… Падение прочностных и повышение пластических свойств при возрастании температуры связаны с ослаблением межатомных…

Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах.… К жаростойким относятся стали и сплавы, работающие в ненагруженном или… Повышение жаростойкости сплавов заключается в легировании добавками, которые, не снижая показателей жаропрочности и…

Условия работы деформирующих и режущих инструментов, требования к инструментальным материалам

Штамповые инструменты для горячего деформирования по условиям работы можно разделить на три группы: инструменты для прессов, для штамповочных… Прессовые инструменты работают в условиях наиболее медленного деформирования.… Инструменты для молотовых штампов работают в условиях ударного нагружения. Время деформирования при штамповке на…

Инструментальные легированные (штамповые) стали

1) стали умеренной теплостойкости и повышенной ударной вязкости (стали типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.); 2) стали повышенной теплостойкости и ударной вязкости (4Х5МФС и др.); 3) стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 5Х4В18Ф1 и др.).

Классификация режущих инструментальных материалов

 

В современной производственной практике подавляющее большинство применяющихся режущих инструментов изготовлено из инструментальных материалов, относящихся к двум группам: быстрорежущим сталям и твердым сплавам. Другими основными группами инструментальных материалов, применяемых на практике реже, чем быстрорежущие стали и твердые сплавы, являются: углеродистые и легированные инструментальные стали, режущая керамика и сверхтвердые поликристаллические синтетические материалы.

Тенденции развития

Оксидная Al2O3

Режущая керамика

Оксидно- карбидная

Нитридная

Безвольфрамовые твердые сплавы

Прочность при изгибе, ударная вязкость, трещиностойкость

Быстрорежущая сталь

Быстрорежущая сталь с покрытием

ВК

ТТК

ТК

Твердые сплавы

Твердые сплавы с покрытием

Инструментальный материал с идеальными свойствами

BN

С

СТМ

Рис. 13.2. Классификация режущих инструментальных материалов по их свойствам

 

На рисунке 13.2 эти группы инструментальных материалов изображены с качественным учетом изменения их основных режущих свойств: твердости, теплостойкости и износостойкости по одной оси и прочности при изгибе, ударной вязкости и трещиностойкости – по другой оси. Для реальных инструментальных материалов повышение твердости, теплостойкости и износостойкости сопровождается снижением прочности при изгибе, ударной вязкости и трещиностойкости.

Совершенствование свойств режущего инструментального материала может быть связано с разработкой композиционного материала, у которого высокие значения поверхностной твердости, теплостойкости, физико-химической инертности сочетались бы с достаточными значениями прочности при изгибе, ударной вязкости, предела выносливости. Это может быть достигнуто с помощью методов упрочнения и нанесения износостойких покрытий.

Режущие инструментальные и быстрорежущие стали

Для режущих инструментов применяются высоколегированные быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с… Углеродистые инструментальные сталис содержанием углерода 1,0–1,3 % во второй… Как известно из теории термической обработки, при охлаждении углеродистой заэвтектоидной стали в воде от температуры…

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

  Применение методов порошковой металлургии в начале 1920-х годов в Германии…  

Режущая керамика

Среди исследовавшихся материалов, которые были бы пригодны для изготовления режущих инструментов, была окись алюминия Al2О3 – корунд. Корунд по… На основе мелкозернистого корунда (менее 5 мкм) путем прессования и спекания… Корунд, как исходное сырье, является дешевым и имеющимся в изобилии материалом, однако технологический процесс…

Сверхтвердые инструментальные материалы

Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость при комнатной температуре НV свыше 35 ГПа. Самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве… Природный алмаз является монокристаллом и позволяет получать практически идеальные острые и прямолинейные режущие…

Абразивные материалы

При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой основе (круги, сегменты, бруски), на гибкой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а… Из искусственных абразивных материалов наиболее широкое применение получили:… Электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия Al2O3 , являющуюся очищенным продуктом плавки…

Тесты для контроля текущих знаний

1) 40А; 2) А12; 3) 08пс;

Раздел IV. Цветные металлы и неметаллические материалы

ТИТАНОВЫЕ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

 

Титан и его сплавы

Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в… Титан – металл серебристо-белого цвета с плотностью ρ = 4,505 г/см3 и… Механические свойства титана определяются составом: чем в нем меньше примесей, тем ниже прочность и выше пластичность…

АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Алюминий и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет кристаллическую ГЦК решетку, температуру плавления 660 °С, удельный вес 2,7 г/см3, обладает высокой… Технический алюминий выпускается в виде деформируемого полуфабриката (листы,… Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая…

Магний и его сплавы

Механические свойства магния невысоки: он обладает небольшой прочностью и малой пластичностью: σВ = 190 МПа, σ0,2 = 90 МПа, δ = 18 %.… Основными легирующими элементами в магниевых сплавах являются марганец,… Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и свариваются различными видами сварки, удовлетворительно работают при…

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Полимеры и пластмассы

Молекулы, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинакового химического состава и структуры, называются макромолекулами.… По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные,…

Резиновые и клеящие материалы

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку. Она способна к очень… Кроме отмеченных особенностей, для резиновых материалов характерны высокая… Основой всякой резины служит натуральный каучук (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства…

Стекло, ситаллы, графит

  Рис. 17.3. Схема непрерывной структурной сетки стекла:

Композиционные материалы

Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно… Традиционно применяемые сплавы в известной мере достигли своего предела… Создание сложных композиционных материалов относится к древним временам, к началу развития человеческой цивилизации.…

Композиционные материалы с металлической матрицей

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при… Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой повышает их прочность,… Армирование короткими волокнами проводят методами порошковой металлургии, состоящими из прессования с последующей…

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об. %, в… По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными…

Тесты для контроля текущих знаний

1) 950 °С. 2) 882,5 °С. 3) 911 °С.

Библиографический список

1. Физическое металловедение: справ. Т. 1, 2, 3; под ред. У. Р. Кана и П. Хайзена. – М. : Металлургия, 1987. 2. Металловедение и термическая обработка стали: справ. Т. 1, 2, 3; под ред.… 3. Термическая обработка в машиностроении: справ.; под ред. Ю. М. Лахтина и Рахштадта. – М. : Машиностроение, 1980. –…