Реальное строение металлических кристаллов

 

Содержание

 

Введение   1 Основы теории сплавов 1.1 Классификация металлов (по Гуляеву) 1.2 Кристаллическое строение металлов 1.3 Реальное строение металлических кристаллов 1.4 Методы изучения строения металлов 1.5 Кристаллизация металлов, фазовые превращения 1.6 Пластическая деформация, механические свойства и рекристаллизация 1.7 Пути повышения прочности металлов   2 Теория сплавов 2.1 Понятие о сплавах 2.2 Диаграмма железо – углерод 2.3 Углеродистые сплавы 2.4 Влияние элементов на свойства сталей 2.5 Чугуны   3 Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов 3.1 Общее положение 3.2 Классификация термической обработки 3.3 Основные превращения в стали   4 Практика термической обработки 4.1 Выбор параметров термообработки 4.2 Поверхностная закалка стали 4.3 Лазерная и плазменная термообработка   5 Легированные стали и сплавы. Стали со специальными свойствами 5.1 Цель легирования 5.2 Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита в стали и полиморфизм железа 5.3 Классификация и маркировка легированных сталей 5.4 Цементуемые легированные стали 5.5 Улучшаемые легированные стали 5.6 Высокопрочные стали 5.7 Строительные стали 5.8 Арматурные стали 5.9 Пружинные стали 5.10 Шарикоподшипниковые стали 5.11 Инструментальные стали 5.12 Твердые сплавы 5.13 Стали для холодной штамповки   6 Стали со специальными свойствами 6.1 Классификация сталей со специальными свойствами 6.2 Износостойкие стали 6.3 Нержавеющие стали 6.4 Жаростойкие и жаропрочные стали 6.5 Стали с особенностями теплового расширения 6.6 Магнитные стали 6.7 Электротехнические стали 6.8 Парамагнитные (немагнитные) стали 6.9 Кислотостойкие стали 6.10 Криогенные стали 6.11 Стали и сплавы с высоким электросопротивлением 6.12 Тугоплавкие металлы и сплавы 6.13 Биметаллы и металлокомпозиты   7 Цветные металлы и сплавы 7.1 Медь и ее сплавы 7.2 Алюминий и его сплавы 7.3 Магний и его сплавы 7.4 Бериллий и его сплавы 7.5 Титан и его сплавы   8 Основы порошковой металлургии 8.1 Общие вопросы 8.2 Порошки тугоплавких соединений 8.3 Композиционные материалы и детали из них 8.4 Дисперстно – упрочняемые материалы 8.5 Износостойкие материалы 8.6 Материалы для конструкций машин 8.7 Керамико – металлические материалы 8.8. Антифрикционные материалы 8.9 Фрикционные материалы 8.10 Магнитные материалы 8.11 Огнеупорные материалы 8.12 Термоэлементы 8.13 Спеченные контакты 8.14 Сверх – твердые материалы инструментального назначения 8.15 Твердые сплавы из инструментальной стали 8.16 Высокопористые материалы 8.17 Тугоплавкие металлы 8.18 Материалы для атомной энергетики 8.19 Ферриты   9 Неметаллические материалы 9.1 Общие вопросы 9.2 Полимеры 9.3 Пластические массы 9.4 Композиционные материалы 9.5 Каучуки и резины 9. 6 Клеящие материалы и герметики 9.7 Графит 9.8 Неорганическое стекло 9.9 Керамические материалы 9.10 Формообразование изделий из неметаллических материалов Список использованной литературы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Любая машина, в том числе автомашины, приборы, компьютеры, строительные машины, горно-добывающее оборудование… собрана из деталей, изготовленных из различных металлов: чугуна, стали, бронзы, латуни, полимеров и пластмасс, алюминиевых сплавов, резины, стекла, керамики, дерева, графита, композитов, спеченных порошков, клеящих материалов, покрытий и т.д.

Любой инженер, а в особенности инженер – механик - металлург, химик - физик, должен знать материалы и их физико - химико - механические свойства, уметь применять их. Поэтому курс материаловедения является одним из основных в цикле подготовки инженеров, так как он изучает закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава, условий обработки. В курсе материаловедения рассматриваются методы исследования и испытаний металлов, приборы, проводятся лабораторные и практические работы.

В материаловедении приводятся и разбираются задачи по диаграммам состояния различных металлов, некоторые структурные схемы органических и неорганических полимеров, их состав, способы изготовление порошковых изделий и композитов, керамики, стекла и т. д.

Изучение материаловедения должно давать студентам понятие о закономерностях, определяющих состав и свойства материалов, методах их получения и обработки, научить проводить испытания материалов на прочность, вязкость, твердость и т. д. на различных приборах, машинах. Студенты должны научиться пользоваться технической, справочной литературой для выбора перспективных материалов и эффективных методов обработки для повышения надежности и долговечности машины.

Изучение одно – двух – трех и более компонентных диаграмм позволяет студентам определить фазовый состав, оценивать структуры материалов и их свойства в равновесном и неравновесном (метастабильном) состоянии, которые встречаются в природе, в реальных условиях.

При изучении материаловедения ~ 80% времени отводится на изучение металлов и сплавов. Студенты должны знать, что такое сталь, чугун, сплавы на основе меди, алюминия, бериллия, никеля, титана, вольфрама, кобальта, цинка, хрома, олова, золота и серебра и т. д. При подборе материалов инженер должен уметь выбирать материалы более прочные, технологичные в обработке, менее бракоемкие, экономически обоснованные.

Перед изучением материаловедения студент должен повторить и хорошо знать основы химии, физики, чтобы лучше усвоить материал.

Развитие машиностроения – основной отрасли народного хозяйства зависит от квалификации специалистов, успехов в создании новых эффективных материалов и технологий. Машиностроители при создании нового оборудования должны работать совместно с металловедами, литейщиками, сварщиками, кузнецами, дизайнерами и при необходимости с другими специалистами. Они должны совместно изучать причины разрушения машин, запасных частей для анализа причин отказов.

Значительное внимание должно уделяться изучению порошковой металлургии, композитов на основе порошков, полимеров, пластмасс, керамических материалов, стекла, резины, графита и других неметаллических материалов.

При изучении металловедения большое внимание должно уделяться всем видам термической обработки в том числе: ХТО, ТМО; деформационному упрочнению в том числе: взрывом, плазмой, магнитным полем, электронному и лучевому упрочнению.

Обучающиеся должны знать, что труды М.В.Ломоносова, Д.И.Менделеева, П.П.Амосова, Д.И.Чернова, А.П.Гуляева, Н.С.Курнакова, С.С.Штейберга, Г.В.Курдюмова, А.А.Бойткова, Ю.М.Лахтина, П.П.Федотьева, А.А.Бочвара, и многих других российских ученых внесли большой вклад в развитие мирового металловедения. Необходимо помнить, что создателем структурной теории химического строения органических соединений является А.М.Бутлеров, впервые синтезировал каучук С.В.Лебедев, разработал теорию цепных реакций и создал механизм цепной полимеризации Н.Н.Семенов, промышленное производство полимеров и пластмасс провел Г.С.Петров. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с учеными: П.П.Кобеко, В.А.Карагина, А.П.Александрова, С.С.Медведева, и д.р.

Большое значение в развитие мирового материаловедения внесли зарубежные ученые: Ф.Осмонд (Франция), Юм-Розерти и Мот (Англия), Зейтц, Бейне, Мейл (США), Тамман, Генеман, К.Циглер (Германия), Д.Найт (Италия), Л.Браутман, Р.Крак, Г.Розебум и д.р.

Следует не забывать о том, что Восточно-Казахстанские ученые и организаторы промышленного производства также внесли вклад в развитие металловедения: Потанин В.П. и Мурин Ю.И. (УМЗ), Парфенов Л.И. (ВКМЗ), Воронин В.И. и Куленов (СЦК) и многие другие.

 

1 Основы теории сплавов

Классификация металлов (по А.П.Гуляеву)

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно – серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель - медь.

К черным металлам относятся:

- железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

- тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 1539⁰С – титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

- урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

- редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

- щелочноземельные металлы – литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

- легкие – бериллий, магний, алюминий;

- благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

- легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

К металлам и сплавам относятся вещества получаемые порошковой металлургией.

Классификация неметаллических материалов:

- органические и неорганические полимеры;

- пластмассы;

- композиционные материалы;

- каучуки и резины;

- клеящие материалы и герметики;

- лакокрасочные покрытия;

- графит;

- стекло;

- керамика.

 

Кристаллическое строение металлов

В технике под металлом понимают вещества, обладающие металлическим блеском, пластичностью, ковкостью, электропроводимостью. Металлические сплавы,… Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и сплавов,… Всякое вещество может находится в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход происходит при…

Реальное строение металлических кристаллов

Характер кристаллического строения определяет свойства металлов. Замечено, что с уменьшением зерна, прочность увеличивается и наоборот. Выявленная в процессе эксплуатации и испытаний прочности металлов (фактическая…  

Методы изучения строения металлов

- химический анализ на элементы; - спектральный анализ определения элементов; - ренгено – спектральный анализ элементов;

Кристаллизация металлов, фазовые превращения

Температура плавления металлов, сплавов важная константа. У каждого вещества, элемента она своя. определённая. У чистых металлов температура… Есть специальные таблицы, справочники, где можно найти данные о температурах… При переходе из жидкого состояния в твердое в металле образуются кристаллы, возникают кристаллические решетки. Этот…

Пластическая деформация, механические свойства и рекристаллизация

Пластическая деформация – это смещение одних слоев металла относительно других по линиям скольжения, образующимся по дислокациям. При любой… При упругой деформации после снятия нагрузки с изделия форма и размеры детали,…  

Пути повышения прочности металла

1.7.2. Создание искусственного наклепа объёмного и особенно поверхностного ( нагартовки ). 1.7.3. Легирование металла в т.ч. железа элементами таблицы Менделеева. 1.7.4. Получение наследственно-мелкозернистого зерна путем регулируемой кристаллизации, модифицирования,…

Понятие о сплавах

Характер взаимодействия компонентов в сплавах зависит от их положения в таблице Менделеева, особенностей строения атомов, их электронных оболочек,… Механическая смесь двух и более компонентов возможна тогда, когда металлы… Химическое соединение (ХС). При образовании ХС достигается следующее:

Углеродистые стали

Основа (матрица) углеродистых сталей - железо. Любая сталь содержит углерод, марганец, кремний и случайные элементы: хром, никель, медь и другие. В… По качеству, стали делятся на обыкновенного качества (общего назначения),…  

Влияние элементов на свойства сталей

В таблице 2 и таблице 3 приведены механические свойства и химсостав для сталей по ГОСТ 380-94. Следует заметить, что углеродистые стали общего назначения не обеспечивают…  

Чугуны

Чугун – более дешёвый материал, чем сталь. Чугун – сплав железа с углеродом, которого содержится от 2,14% до 6,67%. Он имеет более низкую температуру плавления, высокую жидкотекучесть, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную коррозионную стойкость, серые чугуны могут быть антифрикционными из-за свободного графита.

Чугуны могут быть серыми и белыми в зависимости от формы присутствия углерода в сплаве.

Fe₃ Cà 3 Fe + C

Исходя из формулы ясно, что если чугун охлаждать быстро, то получим белый чугун, так как цементит не будет распадаться. Если охлаждать медленно, то реакция будет протекать слева направо с выделением свободного графита и получится серый чугун.

Серые чугуны в свою очередь подразделяются на собственно серые, ковкие, высокопрочные.

Собственно серые чугуны обозначаются буквами «Сч» с добавлением цифр, обозначающих предел прочности «на разрыв». Например, Сч-10, Сч15,…Сч35. Графит имеет форму пластинок, чешуек разной величины (дисперсности) (рис.37 а). Чем меньше частички графита, тем меньше концентраторов напряжений и выше механические свойства. Пластинчатая форма графита имеет в целом больше концентратов напряжений по сравнению с хлопьевидным и шаровидным графитом, поэтому мехсвойства ниже, чем у ковкого, высокопрочного чугунов. Показатели мехсвойств должны соответствовать ГОСТ 1412-84. (таблица 5). В зависимости от химсостава, скорости охлаждения, термообработки чугуны бывают ферритного, феррито-перлитного, перлитного, перлито-цементитного классов (рис. 38) При легировании чугуна Mn, Ni, Co, N, Cu, Pt можно получать чугуны аустенитного класса. Из собственно серого чугуна Сч 10, Сч 15 ферритного класса изготавливают слабо и средне нагруженные детали: крышки, фланцы, диски сцепления и т.д. Из чугунов Сч 20-25 ферритно-перлитного класса изготавливают картеры двигателя, поршни, станины слабонагруженных станков. Из чугунов Сч 30…Сч35 перлитного класса изготавливают корпуса насосов, компрессоров. Получить серые чугуны с высокими мехсвойствами возможно модифицированием их 90%-ым ферросилицием, силикокальцием.

 

а б в

 

а – пластинчатые включения;

б – шаровидные;

в – хлопьевидные

 

Рисунок 37 – Внешний вид графитовых включений в чугуне

 

Таблица 5 – Временное сопротивление разрыву при растяжении чугуна в литом состоянии (ГОСТ 1412-85)

 

Марка чугуна	σВ, МПа (кгс/мм2) не менее
Сч10	100 (10)
Сч15	150 (15)
Сч20	200 (20)
Сч25	250 (25)
Сч30	300 (30)
Сч35	350 (35)

 

а б в

 

а – перлитный чугун;

б – феррито-перлитный чугун;

в – ферритный чугун

 

Рисунок 38 – Микроструктура серого чугуна

 

 

Ковкие серые чугуны обозначаются Кч-30, Кч35…, Кч-80. Часто добавляют к прочности на разрыв относительное удлинение, тогда марка обозначается Кч-30-6, Кч-60-3, Кч-80-1,5 и т.д. (таблица 6).

 

Таблица 6 –Механические свойства ковких чугунов (ГОСТ 1215-79)

 

 

В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму (рис. 37 в). Концентраторов напряжений меньше, чем у серого чугуна и механические свойства выше. Получить ковкий чугун можно двумя способами:

а) отжиг белого чугуна при температурах ~ 950⁰С. Происходит реакция Fe₃ C à 3Fe + C и в определённое время графит принимает хлопьевидную форму отжига. Охлаждают чугун обычно через 15 часов;

б) модифицирование жидкого чугуна CaSi, РЗМ, магниевыми лигатурами: Bi, Te, Al, B, Ti и др. Ковкие чугуны бывают ферритного, ферритно-перлитного, перлитного классов в зависимости от химсостава, термообработки, модифицирования.

Из ковкого чугуна изготавливают чугунную запорную арматуру, ответственные изделия в сельскохозяйственном, автомобильном машиностроении, в судо, - котло, - вагоно,- дизелестроении.

Высокопрочные чугуны обозначаются Вч-35… Вч100 ГОСТ 7293-85. Они имеют относительное удлинение от 2 до 22% твердость от 140 до 360 HB. Графит в высокопрочном чугуне имеет форму идеальных шаров (рис. 37 б), поэтому концентраторов напряжений ещё меньше и ещё выше механические свойства. Получают высокопрочный чугун только модифицированием жидкого расплава и только магнием. Высокопрочные чугуны могут быть ферритного, феррито-перлитного, перлитного классов. Рекомендуемое содержание углерода в высокопрочных чугунах от 2,8 до 3,8%. Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, корпуса паровых турбин, каленвалы, литые заготовки тяжело нагруженных тормозных систем, детали, работающие при циклических нагрузках. Иногда высокопрочные чугуны закаливают и отпускают (500-600⁰С) для повышения механических свойств. Относительное удлинение, твердость и ударная вязкость определяются по требованию заказчика.

Структура и свойства серого чугуна зависят как от свойств металлической основы (матрицы), так и от количества, формы графита, характера цементита. Относительное удлинение у собственно серого чугуна (Сч) равно 0,2-0,5%, у ковкого 5-15%, у высокопрочного 5-15%. Нижние значения, типичны для перлитных чугунов, верхние – для ферритных чугунов. Твёрдость перлитного чугуна ~ 250 НВ, феррито-перлитного ~ 200 НВ, ферритного ~ 150 НВ.

Белые чугуны можно подразделить на углеродистые и легированные. Углерод в белых чугунах содержится в виде химического соединения цементита, карбида железа (Fe₃C). Белые чугуны тверды, хрупки, износостойки. Углеродистые белые чугуны, с помощью отжига можно превращать в ковкие чугуны и собственно серые. Высоколегированные белые чугуны, содержащие много карбидов Mn, Cr, Ti, W, V, Mo и других остаются белыми после любой термообработки (рис. 39). Белые чугуны обозначаются, например, ИЧХ 15Г4НТ, ЧХ 28Н2Т, ЧХН4Г7 и т.д. (Износостойкий чугун хромистый, чугун хромистый, далее идёт обозначение легирующего элемента и его содержания в процентах).

 

 

а б в

г д е

 

Микроструктура поверхности:

а – песчано – глинистая форма;

б – песчано – глинистая

форма с холодильником;

в – металлическая форма

Микроструктура сердцевины:

г – песчано – глинистая форма;

д – песчано – глинистая форма с холодильником;

е – металлическая форма

 

Рисунок 39 – Микроструктура доэвтектического хромомарганцевого чугуна ИЧ210Х12Г5, кристаллизовавшегося при разной скорости охлаждения (плоская плита толщиной 100 мм)

 

 

В чугунах всегда содержится Mn, Si, вредные примеси S и Р, газы Н,N,О и сопутствующие элементы Cr, Ni, Cu. Вредные примеси S и Р , газы Н,О,N снижают все механические свойства.

Кремний (Si) даётся в чугун для раскисления металла. Самое главное назначение кремния – его влияние на усиление графитизации углерода, изменение структуры чугуна. Содержание Si в чугуне колеблется от 0,5 до3%. Изменяя содержание Si можно получать совершенно различные по свойствам и структурам чугуны от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного серого, ковкого, высокопрочного.

Марганец (Мn) препятствует графитизации, отбеливая чугун.

Сера (S) ухудшает все механические свойства чугуна, снижает жидкотекучесть и другие литейные свойства, отбеливает его. Серу необходимо иметь < 0,05%.

Фосфор (Р) ухудшает все механические свойства чугуна. Его необходимо иметь в чугуне < 0,1%. Однако, фосфор сильно увеличивает жидкотекучесть.

Для повышения механических свойств, придание специфических свойств чугуны легируют чаще всего хромом, титаном, ванадием, марганцем, молибденом, кремнием, алюминием, никелем, медью. Его модифицируют кремнием (75%,90%), магнием и магниевыми лигатурами, кальцием, силикокальцием, церием и СЦЕми.

К специальным чугунам относятся:

а) износостойкий белый чугун легированный Cr, Mn–Cr, Cr-V, Cr-Ni, Cr-Mo. В результате образования тугоплавких, твёрдых карбидов получается высокая твёрдость, повышается износостойкость. Эти чугуны плохо механически обрабатываются, у них хуже литейные свойства. Приведём некоторые марки ИЧХ15Г4НТ, ЧХ16, ЧХ9Н5, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ28Н2Т, ЧХ32, и т.д. Эти чугуны применяются для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа при размоле руд, угля, цемента, щебня и т.д.;

б) жаростойкие чугуны могут работать до температуры 700-1000⁰С. Их изготавливают на основе:

- алюминия - алюминиевые жаростойкие чугуны. Их некоторые марки ЧЮХШ, ЧЮ6С5, ЧЮ7Х2, ЧЮ22Ш, ЧЮ30 и т.д;

- хрома – хромистые чугуны. Их некоторые марки ЧХ1, ЧХ3, ЧХ16, ЧХ28 и т.д.;

- кремния - кремнистые чугуны. (ЧС5, ЧС5Ш и т.д.);

в) коррозионостойкие чугуны:

- хромистые ЧХ22С, ЧХ28, ЧХ32Н2Т и т.д;

- высококремнистые ЧС13, ЧС15, ЧС15М4, ЧС17М3;

- высоконикелевый ЧН15Д4, ЧН15Д7 и д.р.

г) жаропрочный чугун: ЧН11Г7Ш, ЧН19Х3Ш, ЧЮ22Ш;

д) немагнитный чугун: ЧГ8Д3, ЧН11Г7Ш, ЧН19Д7, ЧН19Х3Ш, ЧН20Д2Ш и т.д.;

е) антифрикционный чугун легируют Cr, Ni, Ni, Cu, Sb, Pb, Al, Mg, P и другими элементами. Примеры марок чугунов АСЧ 1,2…6; АЧВ 1; АЧВ-2; АЧК-1; АЧК-2 и другие.

Чугуны подвергаются термической обработке для изменения их структуры и механических свойств. Серые чугуны термообрабатывают по следующим основным режимам:

- закалка с отпуском (улучшение) для увеличения твёрдости и прочности;

- нормализация производится для получения перлитной структуры;

- высокотемпературный отжиг производится для снижения отбеленности чугуна, графитизации;

- отжиг для снятия напряжений.

Белые чугуны также термически обрабатывают по следующим основным режимам:

- отжиг для улучшения обрабатываемости. Чугуны медленно нагреваются (~ 70⁰/ час) и медленно охлаждается с температур ~ 900⁰С;

- закалка чаще всего с охлаждением на воздухе.

 

3 Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов

 

Общие положения

а) выплавка сплавов заданного химического состава в плавильных агрегатах; б) изготовление заготовок литьем, сваркой, давлением; в) предварительная механическая обработка изделий;

Основные превращения в стали

Существует четыре превращения в стали: а ) П А ; Fe+ Fe3C Feγ(С). Этот процесс происходит при нагреве стали; б) А П ; Feγ(C) Fe+Fe3C. Этот процесс происходит при охлаждении стали (отжиг, нормализация) с образованием…

Выбор параметров термообработки

Очень важным этапом является выбор закалочной среды, чтобы обеспечить необходимую скорость охлаждения с учетом ее закалочной способности. Закалочной… Типичные структуры мартенсита показаны на рисунке 44. Оптимальный интервал…  

Поверхностная закалка стали

  а б в

Лазерная и плазменная термическая обработка

Плазменная термическая обработка также внедряется в производство, иногда совместно с ХТО. В этом случае насыщение поверхности легирующими элементами происходит за счет…  

Цель легирования

Элементы таблицы (легирующие), растворяясь в железе, сдвигают критические точки А1, А3, А4, E, C, S по температурной шкале и по шкале концентрации.… В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными,… - в свободном состоянии;

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита в стали. Полиморфизм железа

На диаграмме изотермического распада аустенита С – образные кривые смещаются вправо, замедляя распад остаточного аустенита, при легировании…    

Классификация и маркировка легированных сталей

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака:

- равновесная структура;

- структура охлаждения на воздухе;

- химсостав;

- назначение.

По равновесной структуре легированные стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные и, следоватнльно, ферритные, феррито - перлитные, перлитные, перлито-цементитные. В ледебуритных сталях присутствует эвтектика (ледебурит), которая характерна для чугунов. Стали, легированные сильными аустенизаторами (C, Mn, Ni, Co, Cu), имеют расширенную γ -область и относятся к аустенитному классу. Стали, легированные сильными ферритообразующими элементами, относятся к ферритному классу (Cr, Mo, W, Ti и др.)

После нормализации (нагрев выше Ас_з и охлаждение на воздухе) легированные стали имеют следующие основные классы: ферритный, перлитный, мартенситный и аустенитный. Перлит может иметь структуру сорбита, тростита, бейнита в малолегированных сталях, мартенсита в легированных и аустенита (в высоколегированных).

По химсоставу стали классифицируются в зависимости от легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и многие другие. Легированные стали могут быть низколегированные (до 3% легирующих элементов), среднелегированные (от 3 до 10%), высоколегированные (от 10 до 50%).

Легированные стали, как и углеродистые, делятся по качеству в зависимости от содержания вредных примесей (S и P), газов (H, N, O), неметаллических включений, способа выплавки, мехсвойств.

Стали обычного качества (общего назначения) содержат фосфора и серы ~ до 0,035 и 0,04 %; качественные до 0,025% каждого элемента, высококачественные (до 0,015% и до 0,025%) и особовысококачественные ( до 0,01% каждого элемента).

По назначению стали классифицируются на:

а) конструкционные;

б) инструментальные;

в) стали и сплавы с особыми свойствами.

Маркировка легированных сталей осуществляется следующим образом. Первые одна, две, три цифры в начале марки обозначает содержание углерода (18Х2Н2 МФА, 110Г13ЧТЛА, 9ХВГСА). В конструкционных сталях углерод находится в сотых долях процента, в инструментальных – десятых долях процентов. Буквы правее цифр углерода обозначают легирующие элементы: 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 металлы, Ю – алюминий. Цифра стоящая после буквы указывает содержание элемента в процентах. Если цифры не стоит, то это говорит о том, что содержание соответствующего легирующего элемента составляет приблизительно 0,9 – 1,5 %. Если цифры не стоит после Mo, V, N, P3M, Ti, Ta, Nb, Zn, то это означает, что этого элемента содержится 0,2 – 0,5%; после перечисленных элементов в других случаях ставится цифра, в том числе «1». Высококачественные стали в конце марки обозначаются буквой «А» (т.е. содержание S, P, H, N, O – регламентировано). Особовысококачественные стали в конце обозначаются буквой «Ш», что говорит о выплавке стали электрошлаковым переплавом. Буква «А» в середине марки стали свидетельствует о легированности стали азотом. Если буква «А» стоит в начале марки, то это обозначает, что сталь «автоматная», с повышенным S и P, для лучшей обрабатываемости на автоматических станках. Качество этих «так называемых автоматных» сталей низкое. Если сталь легирована свинцом, то ее обозначают, например, АС35Г2, где А – «автоматная», С – легирована Р_b, 35 – содержание углерода 0,35%, 2% - марганца.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ12, ШХ15…) маркируются буквой «Ш», Х – хром, цифры обозначают содержание хрома в десятых долях процента, т.е. 0,9; 1,2; 1,5. Содержание углерода равно 0,9 – 1,1%. К ним предъявляются высокие требования по количеству неметаллических включений.

Быстрорежущие стали, содержащие большое количество вольфрама, молибдена, ванадия, обозначаются буквой «Р», следующая цифра отражает содержание вольфрама. Например: Р18 – быстрорез, содержащий 18% вольфрама, Р9М3Ф3Т3А – быстрорез, содержащий 9% W, 3% Mo, 3% V, 3% Ti, A – высококачественная сталь.

Некоторые стали, изготавливаемые на заводах «Электросталь» в г. Электросталь, «Спецсталь» в г. Златоуст, «Днепроспецсталь» в г. Запорожье и некоторых других, обозначаются ЭИ, ЭП с порядковым номером разработки (ЭИ 962 – 11Х11Н2В2МФА, ЭП 33 – 10Х11Н23Т3МР и т.д.) Данные по таким сталям можно найти только в технических условиях (ТУ) заводов, МРТУ.

Конструкционные стали составляют самую обширную группу материалов, которые идут на изготовление деталей машин, строительных конструкций. Они должны иметь высокие мехсвойства, быть долговечными, надежными. Высокие мехсвойства достигаются у «улучшенных» сталей (закалка с отпуском). Для повышения мехсвойств, увеличения закаливаемости и прокаливаемости стали легируют, микролегируют. Существенно сказывается на повышение мехсвойств измельченное зерно (рис.52). Уменьшение содержания вредных примесей стали (S, P, N, H, O, Sb, As и др.) очень сильно влияет на повышение мехсвойств, эффективное средство против отпускной хрупкости 1 рода (~ 270 - 330°С) и 2 рода (~470 - 520°С). Во избежание охрупчивания при отпуске сталей необходимо предусмотреть быстрое охлаждение после отпуска в интервалах этих температур.

 

 

 

Рисунок 52 –Шкала размеров зерна

 

 

Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали

  5.5 «Улучшаемые» легированные стали «Улучшаемые» легированные стали (40Х, 40ХНМА, 40ХФА, 30ГГСА, 38Х2Н3МФА и др.) используются после улучшения. Они…

Высокопрочные стали

а) среднеуглеродистые комплексно – легированные стали (С = 0,3 – 0,5%; Cr =1 – 3%; Ni = 2 – 4%, Mo и V = 0,1 – 0,5%; Co= 0,2 –0,5; S ≤0,010%;… б) мартенситно стареющие стали 03Н18К9М5Т, Н12К15М10 Н10Х11М2Т; в) метастабильные аустенитные стали (трипстали) типа 30Х9Н8М4Г2С2А, 25Н25М4Г4А и др.

Строительные стали

Они содержат обычно углерода до 0,25 %. Повышение прочности достигается за счет экономного легирования относительно дешевыми элементами: Mn до 1,8%, Si до 1,2%, Cr до 1%, иногда Ni до 0,8%, Cu до 0,5%, V до 0,15%, Ti до 0,05%. Например: СТ3,СТ10, 17ГС, 09Г2СФА, 09Г2, 09Г2С, 15Г2ФС и др. Они поставляются горячекатаными, нормализованными, термически улучшенными.

 

Арматурные стали

Горячекатаные арматурные стали поставляют по ГОСТ 5781-82, упрочненные термической и термомеханической обработкой по ГОСТ 10884-81. Арматурные стали…  

Пружинные стали

Пружинные стали содержат С = 0,5 – 0,75% , Si до 2,8%, Mn до 1,2%, Cr до 1,2%, V до 0,25%, Bе до 1,2%, Ni до 1,7%. Широкое применение нашли стали 55С2, 60С2А, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А,…  

Шарикоподшипниковые стали (ШХ)

Подшипники, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливается из цементуемых сталей типа 20Х2Н4МФА, 18ХГТА с последующей цементацией и…  

Инструментальные стали (ИС)

Инструментальные материалы делятся: а) углеродистые стали; б) легированные стали;

Твердые сплавы (ТС)

Твердость может достигать 80-85 HRC. Твердосплавные пластинки на 90-95 % состоят из карбидов, связкой является кобальт. Они бывают следующих… - вольфрамовые ВК: ВК2, ВК3, ВК6, ВК8, где кобальта 2-8% остальное W и C; - титановольфрамовые ВТК: Т5К10, Т14К8, Т15К6, где Ti -5-15%; Co- 6-10%; остальное Wи C;

Стали для холодной штамповки

Для изделий повышенной прочности применяют низколегированные феррито-мартенситные (70% - 30%) стали 09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 12ХМ и др., которые… 6 Стали со специальными свойствами

Классификация сталей со специальными свойствами

К сталям со специальными свойствами относятся следующие:

а) износостойкие;

б) нержавеющие;

в) жаропрочные и теплоустойчивые, жаростойкие;

г) с особенностями теплового расширения;

д) с особыми магнитными свойствами;

е) электротехнические стали;

ж) кислотостойкие стали;

и) криогенные стали, работающие до температур – 270°С;

к) стали и сплавы с высоким омическим сопротивлением.

 

Износостойкие стали

К лучшим износостойким сталям относится сталь Гадфильда – высокомарганцовистая, содержащая от 11,5 до 15% Mn; 0,95 ÷ 1,5% C; 0,3 ÷… Изделия, работающие в условиях кавитационного износа изготавливают из сталей… Наплавочные материалы – релиты и сормайты.

Нержавеющие стали (коррозионностойкие)

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются нержавеющими. Введение более 13% хрома резко изменяет электрохимический потенциал… Хромистые нержавеющие стали содержат углерод от 0,03 до 0,40%, хром от 13 до… Хромоникелевые нержавеющие стали получают путем ввода в хромистые стали от 9 до 28 % никеля, который обеспечивает…

Жаростойкие и жаропрочные стали

Аустенитные стали 12Х18Н10Т, 36Х18Н25С2 жаростойкие до 1100°С, ферритная сталь 08Х17Т применяется в теплообменниках до 900°С. Стали 12Х17Т, 15Х25Т,… Жаропрочные стали работают при высоких температурах под нагрузкой в течение… Стали мартенситного и мартенситно-ферритного класса (15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФА, 15Х12ВНМФА, 18Х12ВМБФБ и др.) используются…

Стали с особенностями теплового расширения

Эти стали имеют заданный коэффициент линейного расширения равный коэффициенту расширения стекла, пластмассы и др.материалов. Это сплавы железа, никеля, кобальта.

Инвар 36Н: углерод - ≤0,05%, никель 36%, основа – железо.

Ковар 29НК: углерод ≤ 0,05%, никель 29%, кобальт 18%, железо остальное.

 

Магнитные стали

К сплавам, из которых изготавливают постоянные магниты, относятся, например: ЕХ3 (С=1%, Cr = 3%), ЕХ5К5, ЕХ9К15М2, ЮНДК15, ЮН14Д25А, ЮНДК31Т3БА,… В настоящее время мощные постоянные магниты изготавливают из порошков Fe, Ni,…  

Электротехнические стали

Это стали магнитомягкие и применяются для изготовления «железа», электродвигателей, трансформаторов из тонколистовой холоднокатаной стали. У них высокая магнитная проницаемость, малая коэрцитивная сила (малы потери на перемагничивание и вихревые токи). Для этого используются железокремнистые сплавы, содержащие C=0,05– 0,005%, S и P ≤ 0,01% каждого. Содержание кислорода, водорода, азота должно быть минимальное.

 

Парамагнитные (немагнитные) стали

Это стали типа 17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Х3Н9Г9, 50Х4Г18, 40Х14Н9Г3ЮФ2, 45Г18Х2ТЮЛ и многие другие, они применяются для изготовления деталей работающих в сильных электрических полях постоянного и переменного тока.

 

Кислотостойкие стали

Чтобы увеличить стойкость в кислотах, в аустенитные высокохромисто – никелевые стали добавляют Mo, Cu. Ti и Al для интерметаллидного упрочнения.

 

Криогенные стали

Стали должны иметь высокую прочность при очень низких температурах, не иметь полиморфизма, иметь однородную – фазу. К таким сталям, например,…

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением

Они применяются для изготовления нагревателей разных конструкций. В эти сплавы часто добавляют алюминий, молибден, вольфрам и др. тугоплавкие металлы. Их температура плавления от 1370 до 1450°С. Сплавы: Х10Н90, Х20Н80, Х40Н60, Х50Н50, Х20Н75ГТЮ, Х25Н60В15Т, Х30Н70, ХН78Т, ХН75МБТ10, Х70Ю, ХН80ТБ10 и др. с интерметаллидным упрочнением, выдерживают нагрев до 1150 - 1200°С.

 

Тугоплавкие металлы и сплавы

  их свойства резко ухудшаются, поэтому необходима защита от кислорода,… Мо и W используются для изготовления нитей ламп, анодов, контактов и т.д. в химическом машиностроении, стекольной…

Биметаллы и металлокомпозиты

Металлы армируют проволокой, высокопрочными волокнами W, SiC, Mo, TiB, SiO2, Al2O3, B, графита. Например, никель, нихром, медь упрочняются нитями… Алюминий при заливке упрочняют частицами Al2O3 в количестве от 6 до 23% (САП).… Никель дисперсно упрочняется двуокисью тория (2 – 3%), гафния. Материал работает до 1300°С.

Медь и ее сплавы

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнической промышленности, электронике, приборостроении, плавильном производстве,… Медь плавится при 1083°С, плотность 8, 94 кг/дм³, ГЦК – решетка,… Вредные элементы в меди: Bi, Pb, O, H, Se, S, Te и др. придают красноломкость, хрупкость, хладноломкость,…

Алюминий и его сплавы

Как конструкционный материал алюминий чаще всего применяется в сплавах со следующими легирующими элементами: Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn, Ti, Si, Cr,… Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием –… Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые (получают лист, трубы, профиль, паковки, штамповки) и литейные…

Магний и его сплавы

  Таблица11– Химический состав и механические свойства магниевых спла- вов

Бериллий и его сплавы

Бериллий имеет плотность 1,86 кг/дм3, температуру плавления 1283 0С, теплопроводен, имеет высокую теплоемкость, малый коэффициент линейного… Бериллий применяется при микролегировании алюминиевых сплавов, изготовлении… Al – Be, Al – Be – Mg сплавы удовлетворительно деформируются при 380 – 420 0С, имеют высокий модуль упругости, малую…

Титан и его сплавы

Титановые сплавы деформируются, льются, изготавливаются из порошков, закаливаются, отпускаются, хорошо мехобрабатываются. Деформируемые сплавы титана: - ά – сплавы: ВТ5, ВТ-5-1, ОТ-4;

Общие вопросы

В настоящее время производятся порошки Fе, Ni, Аl, Cu, Co, Sn, Pb, Ag, W, Mo, редких металлов, актинидов, Be, тугоплавких металлов и др. Освоено… Широкие возможности порошковой металлургии позволили создать композиционные… В технологии порошковой металлургии применяются: прессование, спекание прессовок, допрессовка, прокатка, штамповка,…

Порошки тугоплавких соединений

  MeO + C = MeC + CO  

Композиционные материалы и детали из них

Работы по созданию армированных КМ ведутся с металлами (Al, Mg, Ti, Cu, Ni, Co) для самолетостроения, космической техники.   8.4 Дисперстно –упрочняемые материалы (ДМ)

Износостойкие материалы

К таким материалам относятся ЖЧ25Х3, ЖЧ20Х3, Fe-FeCr, Fe-FeMn, Fe-FeTi и др., металлостеклянные материалы: нержавеющие стали, титан, бронзы…  

Материалы для конструкций машин

Процесс изготовления порошковых конструкционных материалов включает следующие операции: а) приготовление шихты (рассев, смешивание); б) формование (холодное, горячее; прерывистое, непрерывное; одностороннее и 2-х стороннее; пакетное, вибрационное,…

Керамико-металлические материалы

Керамические фазы: B, C - графит, C - алмаз, TiBr, VBr, CrBr, NbBr, HfBr, MoBr, TaBr, WBr, BrC; SiC, TiC, VC, NbC, TaC, WC; BN, AlN, Si3 N4, TiN,… Смешиваемые материалы должны иметь хорошую адгезию, термодинамическую… Керметы спекают, как правило, при температурах выше t пл. металла матрицы. Пористые керметы можно также пропитывать…

Антифрикционные материалы

Изготовление антифрикционных материалов происходит по классической технологии получения порошковых изделий, но добавляются переделы для: а) пропитки пористых изделий маслом, серой, суспензией твердой смазки,… б) калибрование;

Фрикционные материалы

Тормозные механизмы бывают: 1) слабонагруженные (тракторы, станки и т.д.); 2) средненагруженные (промышленный транспорт, штамповочные и чеканочные прессы);

Магнитные материалы

ПММ применяются в электротехнике, радиотехнике, системах автоматики и телемеханики и т.д. Изготавливаются магнитомягкие материалы с максимальной магнитной… Магнитотвердые материалы должны иметь максимальную остаточную индукцию B, коэрцитивную силу H , магнитную энергию W. К…

Огнеупорные материалы

Огнеупоры изготавливают из оксидов, бескислородных тугоплавких соединений, углеродных материалов, графита. Оксидные огнеупоры: шамотные, высокоглиноземистые, динасовые, периклазовые,… Карборундовые огнеупоры (SiC) на алюмосиликатной связке, на связке нитрида кремния и органической связке.

Термоэлементы

Они могут использоваться до температур 2500-3500оС. Изготавливаются они из карбида кремния (SiC), дисилицида молибдена (MoSi2). Термопары, ветви которых изготовлены из металлической проволоки металлов… Термопары и термоэлементы из тугоплавких соединений обычно состоят из центрального стержня (внутренний полуэлемент) и…

Спеченные электрические контакты

На работу контактов, их разрушение, изменение структуры действуют следующие факторы: - сила тока и его вид, напряжение; - мощность источника тока, характер нагрузки;

Сверхтвердые материалы инструментального назначения

К сверхтвердым относятся материалы, твердость и износостойкость которых превышает характеристики карбидо-вольфрамо-кобальтовых сплавов или… Нитрид бора (BN) по износостойкости превосходит все твердосплавные и… Алмазные пасты и суспензии применяются в доводочных операциях.

Твердые сплавы из инструментальной стали

Технология состоит из следующих операций: 1) изготовление порошков и приготовление из них смесей; 2) сушка и грануляция смесей, их окончательное восстановление;

Высокопористые материалы

Для их изготовления используется различные порошки в зависимости от назначения, а также металлические волокна, сетки из различных материалов. В отличие от стандартных (сетчатых, стеклянных, бумажных, тканевых) фильтров… Для образования пор добавляют порообразователи: двууглекислый аммоний, парафин, хлорную медь, хлорное железо, спирты,…

Тугоплавкие металлы

Эти металлы в чистом виде получают методом восстановления оксидов водородом, карбидами однородного металла, Mg, электролизом. Их порошки получают…    

Материалы для атомной энергетики

1) активная зона с тепловыделяющими элементами (ТЭВЛ) и технологические каналы с теплоносителем для удаления тепла. Для ТЭВЛов требуется 235 U,… 2) поглощающие элементы (ПЭЛ) или стержни для регулирования мощности и… 3) замедлители атомных реакций;

Ферриты

Они делятся на: - феррошпинели MgO Al2 O3 c кубической решеткой; - феррогранаты [Ca3 Al2 (Si O2) 3 ] c объемно центрированной кубической решеткой;

Общие вопросы

а) полимерные материалы органические и неорганические; б) различные виды пластических масс; в) композиционные материалы на неметаллической основе;

Полимеры

Полимеры встречаются в природе: каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Ведущей группой являются синтетические полимеры. Полимеры классифицируются: по составу, форме макромолекул, фазовому состоянию,… По химическому составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. К органическим…

Пластические массы

а) связующего вещества (смолы, эфиры, полиэтилены, целлюлозы); б) наполнителей; в) пластификаторов (стеарин, дибутилфталат, олеиновая кислота и др.);

Композиционные материалы

В качестве связующих применяются полиэфиры, фенолы, силиконы, алкиды, эпоксидные смолы, полиамиды, фторуглеродные соединения, полипропилен и т.д. … Наполнителями служат порошки, волокна, кристаллы, керамика и т.п. Арматурой служат бумага, ткань, стеклоткань, металлическая проволока и волокна, углеродные, борные нитевидные…

Каучуки и резины

В состав резины входят: а) натуральный или синтетический каучук (НК, СК); б) вулканизирующие вещества – сера, селен, сернистые соединения;

Клеящие материалы и герметики

В состав клеев и герметиков входят: каучуки натуральные и синтетические, растворители, пластификаторы для уменьшения или устранения усадки и… Клеевые соединения и герметики дают возможность соединять металлы и сплавы,… Недостатки органических клеев – это низкая теплостойкость (≤ 3500 С), невысокая прочность, склонность к…

Графит

Это одна из аллотропических разновидностей углерода. В решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность, металлический блеск. Графит не плавится, а при температуре 3700⁰ С испаряется (сублимируется). Графит встречается в естественных условиях и получается искусственным путем из нефтяного кокса и каменноугольного пека. Изделия прессуют, обжигают, графитизируют при 3000⁰ С. Из графита изготавливают блоки, электроды, ткани.

Пиролитический графит получается из газообразного сырья (метана).

Для повышения качества технического графита его рекристализуют при давлении 50МПА и температурах свыше 2500⁰ С. Обработка графита парами кремния дает силицированный графит, работающий при высоких температурах в условиях эрозии. Графит устойчив к тепловым ударам. Он перспективный материал высокой жаропрочности, теплозащитный материал. Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами.

Графит применяется в металлургии для футеровки печей, изготовления электропроводящих электродов, в летательных аппаратах, для изготовления высоконагреваемых конструкций и двигателей, в ядерных реакторах, в виде углеграфитовых волокнистых изделий: ткани, фетры, войлоки (типа УТМ), пластины, нити, маты.

 

Неорганическое стекло

Стекло модифицируют Na, K, Ca, Mg, Ba. Введение модификаторов снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, но облегчает его… В зависимости от химической природы стекла подразделяются на силикатные… При нагреве стекло плавится в некотором интервале температур, зависящим от его химсостава. Температура стеклования…

Керамические материалы

Кислородная керамика получается на основе чистых окислов Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2 и т.д. Структура однофазная, пористая, стекловидная,… Керамика на основе корунда (Al2O3) обладает высокой прочностью до 12000С,… Из циркониевой керамики (ZrO2) изготавливают тигли, покрытия для металлов, футеровку печей.

Формообразование изделий из неметаллических материалов

При переработке термопластов в вязкотекучем состоянии формующий инструмент охлаждается, а при переработки реактопластов – нагревается для полного… Экструзия (выдавливание по типу мясорубки) осуществляется на одно - двух…