Оглавление

II. Механические свойства материалов

2.1 Диаграмма растяжения

2.2 Твердость

2.3 Теоретическая и реальная прочности кристалла

Контрольные вопросы 9

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

3.1 Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла

3.2.1 Рекристаллизация

3.2 Холодная и горячая деформации

3.3 Термическая обработка металлов

3.4 Химико-термическая обработка металлов

3.4.1 Цементация

3.4.2 Азотирование

3.4.3 Нитроцементация

3.4.4 Цианирование

3.4.5 Борирование

3.4.6 Силицирование

3.4.7 Диффузионная металлизация

3.5 Поверхностная пластическая деформация

Контрольные вопросы

IV. Конструкционные материалы

4.1 Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

4.1.1 Критерии оценки конструкционной прочности материалов

4.2 Сплавы железа с углеродом

4.2.1 Стали

4.3 Цветные металлы и сплавы

4.3.1 Медные сплавы

4.3.2 Алюминиевые сплавы

4.3.3 Магний и его сплавы

4.3.4 Титан и его сплавы

Контрольные вопросы

4.4 Органические конструкционные материалы

4.4.1 Химический состав

4.4.2 Строение полимеров

4.4.3 Свойства полимеров

4.4.4 Полимеры с наполнителями

4.4.5 Эффективность применения полимеров

Контрольные вопросы

4.5 Неорганические конструкционные материалы

4.5.1 Графит

4.5.2 Стекло

4.5.3 Ситаллы

4.5.4 Керамика

Контрольные вопросы

4.6 Композиционные материалы

4.6.1 Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

4.6.2 Волокнистые композиционные материалы

Контрольные вопросы

II. Механические свойства материалов

2.1 Диаграмма растяжения

Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств - полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не менее важными являются их механические свойства.

К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность, упругость и др.

Познакомимся с ними подробнее.

Рассмотрим образец, имеющий первоначальную длину l₀ (рис.35.).

Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал удлинился до длины l . Разность длин

?l = l - l_{0 ,} (3.1)

называют абсолютным удлинением образца, а отношение

?l/l₀ = дl = е , (3.2)

относительным удлинением дl или деформацией образца е.

Если обозначить сечение образца за S, то механическое напряжение у будет определяться отношением

у = F/S , (3.3)

При малых растяжениях между деформацией е и напряжением у существует линейная зависимость:

е = k у, (3.4)

где k - коэффициент податливости,

или

у = E е, (3.5)

где Е - модуль упругости или модуль Юнга.

Такая линейная зависимость называется законом Гука. Но он выполняется не всегда, а в определенных пределах деформации и напряжения. При больших деформациях зависимость имеет сложный вид.

Если построить график зависимости растягивающей силы от удлинения образца, то получится диаграмма растяжения. На рис.36. приведен характерный вид такой диаграммы. На графике можно выделить несколько характерных участков или зон.

Участок ОА - зона упругости. Здесь зависимость линейна в соответствии с законом Гука. График круто возрастает.



Участок АВ - зона текучести , где происходит удлинение образца почти без возрастания приложенной силы. График почти горизонтален.

Участок ВС - зона упрочнения, здесь удлинение образца сопровождается значительным возрастанием растягивающей силы.

Участок CD - зона разупрочнения, необходимая для дальнейшего растяжения сила уменьшается. Здесь при растяжении образца в каком-то месте образуются сужения или шейка, которая становится все тоньше. Это происходит до тех пор , пока образец не оборвется. Точка D соответствует разрушению образца.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить, то на диаграмме это изобразится линией KL . Её наклон соответствует наклону упругого участка ОА . Величина OL на диаграмме называется остаточным удлинением, а соответствующая ей деформация - остаточной или пластической деформацией. При повторном нагружении растягивающая сила увеличивается по линии LK и далее по кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки не было.

Диаграмма растяжения зависит от размеров образца. Чтобы получить количественную оценку свойств материала, перестроим диаграмму растяжения в координатах напряжение у - деформация е. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.



Характерные точки на диаграмме количественно определяют свойства материала:

Наибольшее напряжение (точка А ), до которого материал следует линейному закону Гука, называют пределом пропорциональности у_п.

Пределом упругости у_у называют наибольшее напряжение(точка У), до которого материал не получает остаточной деформации. На данном участке, если силу растяжения убрать, то образец вернется в первоначальную форму. Если же приложить большую силу, то появится остаточное удлинение образца.

- следующий участок текучести (точка В ) определяет предел текучести у_т

- максимально достигаемое значение напряжения (точка С ) характеризует предел прочности или временной предел у_в.

- крайняя точка на диаграмме D соответствует максимальной деформации, при которой материал разрушается. Эта величина называется пластичностью d.

Эти параметры характеризуют только материал и не зависят от его формы и размеров образца.

Предел текучести наблюдается не у всех материалов. Поэтому существует условный предел текучести у_0,2. Это величина напряжения, при котором величина остаточной деформации образца равна 0,2%.



По виду диаграммы напряжение-деформация различают хрупкие и пластичные материалы. Рассмотренная выше диаграмма характерна для пластичных металлов и сплавов.

Для хрупких материалов диаграмма выглядит иначе (рис.38.). У таких материалов отсутствует участок пластической деформации. При достижении предела упругости материал сразу разрушается, без заметной пластической деформации. Хрупкими являются, например, стекло, керамика, бетон, высокоуглеродистые стали. В металлах может наблюдаться и пластичное, и хрупкое поведение. Например, упругая пластичная сталь при очень низких температуры становится хрупкой.

Можно снять диаграмму при сжатия образца.

Для пластичных материалов начальные участки диаграммы сжатия выглядят почти так же как при растяжении, но отсутствует участок разупрочнения и разрушение (рис.39). С началом пластической деформации сечение образца увеличивается, материал упрочняется и сила сжатия растет до максимальных возможностей испытательной машины, без разрушения образца.

У хрупких материалов при сжатии наблюдается разрушение, с образованием трещин по наклонным и продольным плоскостям. Но предел прочности на сжатие, как правило, намного больше , чем при растяжении.

2.2 Твердость

Твердость - способность материала сопротивляться воздействию на его поверхность. Рассмотрим метод Бринелля определения твердости материалов или проба по Бринеллю (рис.40.). В этом методе в поверхность образца с определенной силой F вдавливают стальной шарик диаметром 10 мм. В результате воздействия на поверхности остается отпечаток, площадь S которого измеряется. Отношение силы вдавливания к площади отпечатка дает величину твердости по Бринеллю:

[Па]. (3.6)

При измерениях разных по твердости материалов ГОСТом установлены следующие силы вдавливания F:

сталь, чугун 3000 кгс,

сплавы меди и алюминия 1000 кгс,

мягкие сплавы 250 кгс.

Твердость по Бринелю связана с пределом прочности() эмпирическим соотношением:

для стали и чугуна ~ 0,4НВ,

сплавов меди и алюминия ~ 0,25 НВ.

То есть измеряя твердость можно определить предел прочности материала. Вследствие простоты и оперативности определения механических свойств материалов метод Бринелля получил широкое распространение в промышленности и лабораториях.

Кроме описанного выше метода, получили распространение также пробы на твердость по Роквеллу и Викерсу. Испытания проводятся по аналогичной методике, но вместо стального шарика для вдавливания используются наконечник в виде стального конуса или алмазная треугольная пирамидка, соответственно. Поскольку алмаз является самым твердым материалом, по методу Викерса могут быть испытаны любые по твердости материалы. Поскольку значения твердости у разных методик различаются, для сравнения результатов измерения существуют специальные таблицы перевода твердости из одной шкалы в другую.

2.3 Теоретическая и реальная прочности кристалла

Рассмотрим металлический кристалл, состоящий из положительных ионов и отрицательного газа электронов (рис.41а.).



Можно приближенно рассчитать усилие F, которое необходимо приложить к образцу, чтобы его разорвать. Для простоты будем считать, что в узлах кубической кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а посередине между двумя ионами сосредоточены электроны. Соответственно каждый положительный ион будет притягиваться к отрицательному электрону. Данную силу притяжения можно вычислить, зная расстояние на котором находятся эти заряды. Оно равно периоду кристаллической решетки . Тогда притяжение двух зарядов будет определяться силой Кулона:

., (3.7)

Таких пар ион-электрон будет множество. Общая сила притяжения сложится из суммы всех взаимодействующих пар N:

, (3.8)

Число пар N найдем (рис.41б.) поделив сечение образца S на площадь, приходящуюся на один ион (для кубической решетки a²):

, (3.9)

тогда сила взаимодействия равна

. (3.10)

Значит, напряжение определится через

(3.11)

По полученной формуле рассчитаем прочность кристалла железа, подставив параметр кристаллической решетки, известный из эксперимента:

Теоретический расчет дает величину предела прочности ~3,4Па. Однако реально наблюдаемая в экспериментах прочность железе ~2Па. Результаты различаются в сотни раз! Аналогичная ситуация наблюдается и для других материалов, и другого вида деформации (сдвига) см. табл.2.

Табл.2. Экспериментальные и рассчитанные модули сдвига металлов.

	МПа	МПа
Медь	1	7400
Серебро	6	4600
Железо	29	11000

Причиной такого разительного отличия являются дефекты кристаллической решетки. Реальные кристаллы имеет неидеальную структуру, содержат дефекты строения. Наибольшее влияние на прочность оказывают линейные дефекты - дислокации. При наличии дислокаций прочность кристаллов должна уменьшатся в сотни раз, и тогда теоретические расчеты согласуются с экспериментальными данными. Первоначально дислокации были предложены теоретически, и только спустя полвека они были обнаружены экспериментально с помощью электронных микроскопов высокого разрешения.

Появившаяся современные технологии позволяет выращивать совершенные практически бездефектные кристаллы. Они длинные, но тонкие по сечению, их называют нитевидные кристаллы или «усы». Прочность этих кристаллов оказалась близка к теоретическому пределу (табл.3.), что подтвердило правильность дислокационной теории.

Табл.3. Прочность кристаллов.

	Обычный кристалл, ГПа	Нитевидный кристалл, ГПа
Оксид Al	0,31	28
Оксид Be	0,14	13
Fe	0,24	13

Контрольные вопросы

1. Как характеризуют механические свойства материалов?

2. Какие участки выделяют на диаграмме растяжения?

3. В чём отличия диаграмм хрупких и пластичных материалов?

4. Что такое твёрдость материала?

5. Как определяют твердость?

6. Как она связана с прочностью?

7. Почему прочность реальных кристаллов в сотни раз меньше прочности, рассчитанной для идеальных кристаллов?

8. Каково влияние дислокаций на прочность кристаллов?

III. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов

3.1 Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла

При деформации металла большая часть затрачиваемой работы (~95%) идет на нагрев материала, оставшаяся часть (~5%) идет на образование структурных дефектов ( вакансий , дислокаций, внутренних напряжений и т.д.). Такое состояние металла с накопленными дефектами или наклепанного металла термодинамически неустойчиво. Поэтому при нагреве в нем протекают процессы, приводящие к возвращению всех свойств металла к первоначальному состоянию до деформации.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на два основных: возврат и рекристаллизацию; оба сопровождаются уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Т_пл.), рекристаллизация - при более высоких (выше 0,4 Т_пл).

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, происходит перемещение дислокаций. При низких температурах (~0,2 Т_пл) происходит сток вакансий к границам зерен, перемещение и перегруппировка дислокаций, поглощение вакансий и межузельных атомов дислокациями. Происходит также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимным уничтожением дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается уменьшением остаточных напряжений. Отдых снижает количество точечных и линейных дефектов структуры, уменьшает удельное электрическое сопротивление, и повышает плотность металла.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Процесс протекает при нагреве до температуры (0,25-0,3) Т_пл . Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций (см. рис.42.).

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах.

Полигонизация холоднодеформированного металла приводит к уменьшению твердости и прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

3.2.1 Рекристаллизация

При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Т_пл) начинается рекристаллизация (рис.43.). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенные от старых зерен большеугловыми границами. Размеры новых зерен могут сильно отличаться от исходных. Образование новых зерен приводит к резкому снижению плотности дислокаций и высвобождению энергии, накопленной при пластической деформации металла. Плотность дислокаций в наклепанном металле достигает ? 10¹⁰ - 10¹² м-² , в рекристаллизованных зернах ? 10⁶ - 10⁸ м-²

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Для алюминия она ~2%, для железа и меди ~5%. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен называется температурным порогом рекристаллизации. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации (0,4 Т_пл) равен соответственно 100, 270 и 450 °С.

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен (рис.43б.). Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они представляют собой зародившиеся микроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов, которые возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций. При этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах, растут. Происходит переход атомов от деформированного окружения к новому зерну, при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются вглубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис.43в.).

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.

По завершении первичной рекристаллизации при увеличении выдержки или температуры происходит рост одних образовавшихся зерен за счет других. Рост зерен происходит вследствие того, что одни зерна постепенно увеличиваются в размерах, поглощая соседние зерна. Эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией (рис.43г,д.). Процесс развивается самопроизвольно в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла, из-за уменьшения зернограничной поверхностной энергии.

С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

На рис.44. приведены графики изменения твердости и пластичности наклепанного металла в зависимости от температуры нагрева.

В некоторых случаях какие-то зерна имеют предпочтительные условия для роста: благоприятная для роста кристаллографическая ориентация, меньшая концентрация дефектов и т.д. Тогда эти зерна, растущие с большой скоростью, можно рассматривать как аналог центров кристаллизации. Процесс их роста называют вторичной рекристаллизацией. В результате образуется небольшое число очень крупных зерен и множество мелких. Такая разнозернистость снижает механические свойства металлов и является нежелательной.

3.2 Холодная и горячая деформации

В условиях производства из металла изготавливают различные изделия с использованием различных технологических операций: прессования, прокатка, волочение и др.

Если величина деформации при обработке больше величины пластичности, то материал трескается, ломается.

Для получения больших значений деформаций материал часто обрабатывают поэтапно, проводя промежуточные отжиги. При нагреве происходит рекристаллизация, после чего пластичность материала восстанавливается, твердость уменьшается. Таким образом можно получать большие деформации металла.

Эти два процесса деформацию и нагрев можно проводить одновременно - такой способ обработки называют горячей деформацией. При такой обработке одновременно с деформацией протекает процесс рекристаллизации. Для этого температура процесса должна превышать порог рекристаллизации T > 0.4T_пл . Обычно обработку проводят при температурах 0,7 - 0,8Т_пл . В этих условиях наклеп не идет, и деформацию можно проводить до любых степеней.

Если температура ниже порога рекристаллизации T < 0.4T_пл - такой способ обработки называют холодной деформацией. В этом случае при деформации прочность материала увеличивается за счет наклепа, но из-за него величина холодной деформации ограничена.

Свойства металлов сильно различаются, поэтому сложившиеся названия процессов достаточно условны.

Например, для олова температура плавления равна

Т_пл = 505 К,

а температурный порог рекристаллизации

Т_рекр = 0,4Т_пл ? 202 К ? -70 ?С

поэтому обработка олова при комнатной температуре будет горячей деформацией.

Соответственно для вольфрама

Т_пл = 3650 К

Т_рекр = 0,4Т_пл ? 1460 К ? 1200 ?С

Значит обработка вольфрама с нагревом в печи до 1000?С будет холодной деформацией.

3.3 Термическая обработка металлов

При нагреве изменяются структура и свойства материалов. В производстве широко используют такое воздействие температуры для улучшения металлических сплавов железа, меди, алюминия, неметаллических материалов стекла, керамики и др. Рассмотрим его на примере сплавов железа - сталей.

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термическая отработка состоит из трех этапов:

1. нагрев;

2. изотермическая выдержка;

3. охлаждение.

На первом этапе металл нагревают в печах до заданной температуры. На втором этапе выдерживают при высокой температуре, при этом в материале происходят диффузионные процессы, требующие длительного времени. Заключительный этап - охлаждение.

В зависимости от целей и условий различают три основных вида обработки:

1. Отжиг

2. Закалка

3. Отпуск или старение

Отжиг - это термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру близкую к равновесной. При отжиге материал нагревается в печах до заданной температуры и выдерживается достаточно длительное время. Затем следует медленное охлаждение со скоростью 30-200?С/час.

В результате отжига в металлах снимаются внутренние остаточные напряжения, происходит рекристаллизация, выравнивается химический состав. В зависимости от целей отжига различают его разновидности: а) для снятия напряжений, б) рекристаллизационный в) диффузионный. Для сталей характерные температуры отжига 600-1300?С, время выдержки 10-50 часов . Вследствие протекающих при высокой температуре процессов изменяются свойства сплавов: повышается пластичность, снижается хрупкость, улучшается структура металла, его обрабатываемость.

Закалка - термическая обработка, заключающаяся в нагреве материала и последующего быстрого охлаждения, в результате чего фиксируется высокотемпературное состояние материала. При больших скоростях охлаждения высокотемпературная структура не успевает перестроиться и сохраняется при низкой температуре, т.е. образуется неравновесная структура.

Закалке подвергают сплавы имеющие переменную растворимость компонентов, полиморфные превращения или испытывающие распад твердого раствора.

После закалки в сплавах увеличивается прочность, электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, коррозионная стойкость. Нежелательными последствиями являются снижение пластичности, повышение хрупкости.

Большое значение при закалке имеет скорость охлаждения. Для сталей необходимые скорости 400-1400 ?С в секунду. Для увеличения скорости охлаждения используют охлаждающую среду. В табл.4. приведены сравнительные эффективности охлаждающих сред относительно воды, которая принята за единицу.

Табл.4. Коэффициенты охлаждения сред.

Охлаждающая среда	Температураохлаждающей среды, оС	Коэффициент охлаждения
Вода	20 - 80	1
10% водный раствор: NaCl, NaOH	20	3
Масло минеральное	20-200	0,3

Отпуск или старение -- термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, в некоторой приближающие их структуру к равновесной.

Такую термическую обработку проводят аналогично отжигу, но при меньших температурах нагрева. Для сталей 300-600?С.

После закалки материал становится твердым прочным, но при этом непластичным хрупким. Для улучшения пластичности, снижения хрупкости применяют смягчающую термическую обработку называемую отпуск (для сталей бронз) или старение (для алюминиевых сплавов). При этом немного снижается прочность, но получается оптимальное сочетание свойств прочности, пластичности, упругости, стойкости к ударным нагрузкам.

3.4 Химико-термическая обработка металлов

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхностного слоя металла различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Такой процесс называют также поверхностным легированием.



При внедрении легирующих элементов в поверхностный слой металла его свойства изменяет. Таким способом можно улучшить различные свойства металлов. Целью химико-термической обработки являются повышение твердости, износостойкости, увеличение усталостной выносливости, придание коррозионной стойкости против воздействия агрессивных сред.

Внедряемые элементы могут быть как металлами, так и неметаллами. Например:

неметаллические - углерод С, азот N, кремний Si, бор B и др.

металлические - хром Cr ,алюминий Al, цинк Zn и др.

Рассмотрим процесс диффузионного насыщения поверхности металла легирующим элементом (рис.45.). На поверхности металла создается избыточная концентрация элемента, который необходимо внедрить в металл, причем элемент должен находится в активном атомарном состоянии. Затем происходит адсорбция или связывание атомов поверхностью металла. После чего эти атомы элемента внедряются вглубь металла.

Таким образом, весь процесс ХТО состоит их трех этапов:

1. Создание среды активных атомов

2. Адсорбция атомов поверхностью металла

3. Диффузия атомов вглубь металла

Активная среда может быть в различных агрегатных состояниях:

· Твердом

· Жидком

· Газообразном

Для того чтобы атомы активно перемещались вглубь металла, его нагревают, ускоряя процесс диффузии.

В результате обработки образуется диффузионный слой, т.е. слой материала у поверхности детали, отличающийся по химическому составу, структуре и свойствам от исходного. На рис.46. показан график изменения концентрации насыщающего элемента от глубины от поверхности металла.

Толщина образующегося диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса насыщения. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем больше толщина слоя.

Рост толщины диффузионного слоя от длительности процесса при неизменных прочих условиях подчиняется квадратичной закономерности (рис.47а.):

, (3.12)



где ф - длительность процесса ХТО

А - константа

А зависимость от температуры, при постоянной длительности процесса и прочих условий, определяется экспоненциальной функцией (рис.47б.):

, (3.13)

где Q - энергия активации диффузии

T - абсолютная температура

k - постоянная Больцмана

B - константа характеризующая протекающий процесс

По названию внедряемого элемента процесс ХТО имеет разные названия:

при внедрении

Бора - борирование,

Хрома - хромирование,

Углерода - цементация, и т.д.

Рассмотрим основные процессы подробнее.

3.4.1 Цементация

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом С.

При этом у металла увеличивается твердость поверхности, но в тоже время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное сочетание свойств увеличивается срок службы деталей, подвергающихся трению и ударным нагрузкам.

Цементация проходит при условиях

температура t = 900-950 ?C

длительность ф = 6-12 ч

толщина образующегося диффузионного слоя ? = 0,8-1,7мм

Различают два способа цементации: в твердой и газовой среде.

1. В первом используется среда древесный уголь, это почти чистый углерод. Подготовленные для цементации детали укладывают в металлический ящик и засыпают углём (рис.48.). Далее ящик закрывают и нагревают до необходимой температуры . В результате нагрева происходят реакции :

2C + O₂ > CO

2CO - CO₂ + C

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. В итоге один активный атом углерода образует защитный слой.

2. Второй способ - газовая цементация. Активная среда - метан. При нагреве происходит диссоциация молекул, с выделением атомарного углерода:

CH₄ > 2H₂ + C

Газовая цементация позволяем механизировать и автоматизировать процесс, поэтому используется при массовом производстве.

В результате цементации механические свойства деталей значительно возрастают:

· твердость поверхности возрастает в 1,5-2 раза

· износостойкость на 30-50%

3.4.2 Азотирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH₃), который под действием высокой температуры диссоциирует, выделяя атомарный азот:

2NH₃ > 2N + 3H₂

Условия протекания процесса :

t = 500 - 650 ?C

ф = 24 - 60 ч

? = 0,3 - 0,6 мм

Азот диффундирует в поверхностные слои металла образуя нитриды, которые придают азотированному слою высокую прочность. Кроме повышения твердости, износостойкости, улучшается коррозионная устойчивость.

3.4.3 Нитроцементация

Нитроцементация - процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака.

Условия протекания процесса:

t = 840 - 860 ?C

ф = 4 - 10 ч

? = 0,2 - 0,8 мм

Преимуществом данного процесса является то, что одновременная диффузия азота и углерода происходит гораздо быстрее, чем азотирование и цементация в отдельности. Поэтому из-за большей производительности и соответственно меньших затрат энергии, нитроцементация широко используется на автомобильных и тракторных заводах. Например, на ВАЗе такой химико-термической обработке подвергают 95% деталей.

3.4.4 Цианирование

Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN.

Условия протекания процесса:

t = 820 - 920 ?C

ф = 0,5- 1 ч

? = 0,15 -0,35 мм

Преимущество цианирования - меньшая продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочность.

Недостатком цианирования является сильная ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением строгих мер предосторожности.

3.4.5 Борирование

Борирование - процесс насыщения поверхности металла бором В. Образующиеся соединения с металлом - бориды, очень твердые вещества. Борирование увеличивает твердость и износостойкость от 2 до 10 раз. Такая обработка подвергают трущиеся детали , штамповый инструмент подвергающийся большим нагрузкам.

3.4.6 Силицирование

Это процесс насыщения металла кремнием Si. Образующиеся силициды железа имеют пористую структуру и невысокую твердость. Однако слой толщиной 0,3-1 мм на поверхности детали после пропитки маслом резко снижает трение и повышает износостойкость. Кроме того повышается коррозионная стойкость к воздействию морской воды и окислению.

3.4.7 Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз тоньше.



В зависимости от рода металла процессы называют алитирование Al, хромирование Cr, цинкование Zn и т.д. В результате металлизации повышается коррозионная стойкость, твердость, износостойкость. Такой обработке подвергают детали паросилового оборудования, патрубки, вентили, клапаны, работающие в агрессивных средах. Применяют обработку и для декоративных целей, улучшения внешнего вида изделий.

3.5 Поверхностная пластическая деформация

Еще одним видом обработки поверхности для улучшения свойств деталей является поверхностная пластическая деформация. Рассмотрим несколько способов поверхностной пластической деформации:

· Дробеструйный наклеп.

Мощный вентилятор создает поток воздуха, который разгоняет маленькие стальные шарики или дробинки до больших скоростей (рис.49.). При попадании на обрабатываемую деталь каждая частица ударяется о поверхность металла и образует небольшую вмятину, то есть деформированную область. Таким образом, из-за наклепа происходит упрочнение металла. После многочисленных соударений дробинок образуется сплошной наклепанный слой, который увеличивает прочность поверхностных слоев металла.

· Центробежный шариковый наклеп.

В этом случае поверхность металла обрабатывается шариками, которые прикреплены к вращающемуся инструменту (барабану, диску) и могут выдвигаться из него (рис.50.). Барабан раскручивается до больших скоростей и подносят к поверхности обрабатываемого материала. Каждый шарик ударяется о поверхность детали и отскакивает, оставляя вмятинку. Инструмент перемещают вдоль всей поверхности обрабатываемой детали. Образуется деформированный, наклепанный поверхностный слой.

· Накат (выглаживание)

Принцип обработки заключается в следующем. Стальной шарик или алмазный инструмент с силой вдавливается в поверхность детали вызывая её деформацию (рис.51.). Деталь вращается и инструмент перемещается по поверхности обрабатываемой детали. В результате получается «продавленный слой», обладающий повышенной твердостью.

После поверхностной пластической деформации получается гладкая блестящая поверхность, устраняются концентрации напряжений на деталях. Обработке подвергают коленчатые валы, гильзы цилиндров, рычаги и др. В результате увеличиваются твердость, износостойкость (в 1,5-2 раза), долговечность (на 30-50%), коррозионная стойкость деталей.

Контрольные вопросы

9. Какие процессы протекают в деформированном металле при нагреве?

10. Что такое рекристаллизация

11. Как изменяются механические свойства металлов после рекристаллизации?

12. При каких условиях происходит горячая деформация?

13. Какие основные виды термической обработки металлов?

14. Цель отжига металлов?

15. Методы закалки металлов?

16. Этапы химико-термической обработки?

17. Цели химико-термической обработки?

18. Закономерность изменения толщины диффузионного слоя от длительности процесса?

IV. Конструкционные материалы

4.1 Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, строительных сооружений, опор , перекрытий, мостов, которые подвергающиеся механическим нагрузкам. Эти детали и конструкции характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу машин и аппаратов в условиях эксплуатации. Прежде всего речь идет о механических свойствах: прочность, пластичность, упругость и др. Однако требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное влияние на его механические свойства и работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозии, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять неблагоприятному воздействию рабочей среде, материал должен обладать не только механическими свойствами, но и стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.

В некоторых случаях важными оказываются требования определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, пайке, а также к термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих дорогостоящие легирующие элементы, должно быть обосновано повышением свойств деталей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Таким образом, конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.

4.1.1 Критерии оценки конструкционной прочности материалов

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. Критериями механической прочности при статистических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести, характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость по Бринеллю НВ.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. В этих случаях материал должен обладать большим пределом упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет плотность материала, удельная прочность.

По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие опасность хрупкого разрушения: концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, ударные нагрузки.

Долговечность - свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение.

Выносливость или циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел выносливости. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости выносливостью.

Износостойкость - свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала под действием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы.

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации.

4.2 Сплавы железа с углеродом

Диаграмма состояний сплавов железо-углерод (рис.52.) характеризует фазовый состав и превращения в системе.

Железо и углерод - полиморфные элементы и разных частях диаграммы существуют разные кристаллические фазы и структуры, обозначенные буквами.

Ф - феррит или б-железо, твердый раствор углерода в б-железе, мягкая, пластичная фаза, имеет ОЦК решетку, ? = 40%, НВ = 1000 МПа. Существуют области феррита при высокой и при низкой температуре. Растворимость углерода в феррите мала, при низких температурах составляет 0,02%. Высокотемпературный феррит часто называют д-железом.

А - аустенит или ?-железо, это твердый раствор углерода в г-железе, имеет ГЦК решетку, пластичен, его твердость НВ = 2000 МПа .Растворимость углерода в аустените достигает 2,14%.

Ц - цементит или соединение Fe₃C. Содержание углерода 6,69%. Это очень твердая и хрупкая фаза. НВ = 8000 МПа.

С - точка эвтетики, механическая смесь фаз аустенита и цементита, содержание углерода 4,3% .

Л - Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита, содержит чередующиеся зерна фаз цементита и аустенита. Ледебурит твердый, хрупкий и непластичный. НВ = 6000 МПа

S - эвтектоидная точка, механическая смесь фаз феррита и цементита. Соответствует содержанию углерода 0.8%

П - Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита. Пластичен ? = 16%, твердость НВ = 2200 МПа.

Ледебурит и перлит оказывают сильное влияние на свойства сплавов, поэтому их рассматривают как самостоятельные структурные составляющие.

Эта диаграмма делит сплавы на две группы.

1. Первая до 2.14% С - сплавы называются сталями

2. Вторая более 2.14% С - сплавы называются чугунами.

В структуре чугунов присутствует твердый и хрупкий ледебурит, что обуславливает их непригодность к обработке давлением и затрудняет резание.

Чугуны в зависимости от содержания углерода также делятся

- доэвтектические чугуны < 4.3% С

- заэвтектические чугуны > 4.3% С

4.2.1 Стали

Существует огромное количество марок сталей с разнообразными свойствами. В СССР их выпускалось более 2000 марок. Перечисление их характеристик занимает 20 томов. Из-за такого разнообразия свойств сталь стала основным конструкционным материалом, который отвечает предъявляемым требованиям машиностроения, промышленности и строительства. Не зря XX век к называют веком стали.

Стали классифицируют по различным признакам: по назначению, химическому составу, качеству и т.д. (Рис.53.). Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей.

Углеродистая сталь

Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей - это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны.

По ГОСТу углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. Степень раскисления обозначается индексом: спокойная сталь - СП, полуспокойная - ПС, кипящая - КП.

Например, Ст3_КП - сталь обыкновенного качества, марки 3, кипящая.

Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др.

В углеродистых качественных сталях содержится меньше сопутствующих примесей. По ГОСТу такую сталь обозначают цифрами 45, 85 и т.д., которые указывают процентное содержание углерода в сотых долях процента. То есть в стали 85 содержится

Рис.53. Классификация сталей.

0,85% углерода. Далее аналогично предыдущему добавляются обозначения спокойной, полуспокойной или кипящей стали.

Этот класс сталей используется для изготовления конструкционных деталей в машиностроении: болтов, гаек, пальцев, валов, осей, и т.д.

Углеродистые инструментальные стали

Они являются высокоуглеродистыми сталями, обладающими высокой твердостью, износостойкостью. Они предназначены для изготовления режущего, штампового, измерительного инструмента. Такая сталь маркируются первой буквой У, и далее идут цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента. Для высококачественных сталей в конце ставится буква А.

Например, У10А - углеродистая инструментальная сталь, содержание углерода 1,0% , высококачественная.

Легированные стали

Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указывают на процентное содержание углерода в сотых долях процента. Далее идет перечисление легирующих элементов и их процентное содержание: Х -хром, Н -никель, Г -марганец, С -кремний, К -кобальт, М - молибден и т.д. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1%. Далее могут следовать буквы: А - высококачественная сталь, Ш - особовысококачественная сталь. Если после обозначения стали не стоит никакой буквы, то мы имеем дело с качественной сталью.

Например, сталь 20ХН3А - легированная сталь, содержание углерода 0,2%, другие легирующие элементы: хром - 1% и никель - 3%, высококачественная сталь.

За счет легирования прочность таких сталей возрастает в 5-10 раз по сравнению с чистым железом, материалу можно придать коррозионную стойкость, жаропрочность и др.

Легированные стали дорогие, поэтому их выпускают в относительно небольших количествах и применяют там, где требуются особые свойства материала: высокая механическая прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость и пр.

В табл.5. приведены механические свойства некоторых марок сталей.

Табл.5. Механические свойства сталей

Материал	НВ,МПа	Предел прочности, МПа	Пластичность, %
Fe	800	250	50
Углеродистая сталь обыкновенного качества
Ст1		370	31
Ст3		440	23
Ст6		600	12
Углеродистые качественные стали
10	1430	340	31
40	2170	580	19
80	2850	1100	6
Инструментальные стали
У7	1870	630	21
У12А	2070	700	28
Легированные стали
40Х		1000	10
20ХГСНА		1850	13
03Н12К15М10		2500	6
03Н12К15М10		2500	6

Контрольные вопросы

19. Какие сплавы называют чугунами?

20. Какие фазы входят в состав сталей?

21. По каким признакам классифицируют стали?

22. Как маркируют углеродистые стали обыкновенного качества?

23. Цели легирования сталей?

24. Маркировка легированных сталей?

4.3 Цветные металлы и сплавы

В предыдущей лекции мы рассматривали сплавы на основе железа, которые называют черными металлами. Все другие металлы (медь, алюминий и др.) и сплавы на их основе называют цветными.

Цветные металлы обладают многими ценными качествами, например, такими как хорошая электропроводность, теплопроводность, легкость и др. которые используются в различных применениях.

4.3.1 Медные сплавы

Медь - металл желтого цвета, высокотехнологичный, хорошо сваривается, паяется, обрабатывается давлением, обладает отличной пластичностью, характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью.

Его недостаток - он плохо режется. Кроме того это тяжёлый металл, его плотность 8,9 г/см³. (Для сравнения, у железа плотность 7,8 г/см³)

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.

Так как чистая медь мягкая, поэтому как правило медь применяется в сплавах с другими элементами: Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni.