Метали та сплави, їх властивості

2

47

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сплави. Діаграми стану подвійних сплавів

Усі матеріали, які застосовуються у сучасній промисловості та техніці, поділяються на металеві і неметалеві. При цьому із металевих матеріалів частіше застосовуються не чисті метали, а їх сплави.

Сплавом називається система, здобута сплавленням двох або більше компонентів. При цьому сплав, який складається переважно із металевих компонентів і характеризується металевими властивостями, називається металевим.

Металеві сплави можна також дістати методом порошкової металургії, сублімації, електролізом та іншими методами. Це так звані псевдосплави.

Залежно від кількості компонентів сплави можуть бути подвійними, потрійними і багатокомпонентними.

Переважне застосування металевих сплавів у техніці, у порівнянні з чистими металами, пояснюється не лише тим, що вони мають більш цінні комплекси механічних та технологічних властивостей, але й тим, що вони створюють передумови для цілеспрямованої зміни цих властивостей.

Будова сплавів у рідкому стані. Більшість металів у рідкому стані розчиняються один в одному в будь-яких співвідношеннях і без обмежень. У результаті, при розплавленні, утворюється однорідний рідкий розчин з рівномірним розташуванням атомів одного компоненту серед атомів іншого. Між тим, деякі металеві системи можуть у рідкому стані розчинятися необмежено або зовсім не розчинятись (наприклад Fe-Pb, Cu-Pb та ін).

Будова сплавів у твердому стані. При утворенні сплавів у процесі їх затвердіння (кристалізації) можлива різна взаємодія між атомами компонентів. У зв'язку з цим при кристалізації сплавної системи можуть утворюватись механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки.

Механічні суміші утворюються тоді, коли у процесі кристалізації сили взаємодії між однорідними атомами компонентів перебільшують сили взаємодії між їх різнорідними атомами.

Механічна суміш сплавної металевої системи складається із окремих зерен металів - компонентів, тобто у цьому випадку у твердому сплаві будуть присутні зерна одного чистого металу поряд із зернами другого (рис. 7.1, а).

На рентгенограмі такого сплаву виявляється наявність обох типів кристалічних решіток (рис7.1, б). Такий тип формоутворення сплавів відбувається при значних відмінностях між властивостями компонентів, які входять у сплав (наприклад Pb - Sb, Sn - Zn та ін.).

Рис. 7.1. Схематичне зображення утворення механічної суміші при кристалізації

Тверді розчини утворюються тоді, коли навпаки, сили взаємодії між різнорідними атомами компонентів перебільшують сили взаємодії між однорідними атомами.

У твердому розчині, як і у чистих металах, атоми у просторі розташовані закономірно, утворюючи кристалічну решітку. Цим вони і відрізняються від рідких розчинів.

У твердому розчині одна із речовин, яка входить до складу сплаву, зберігає характерну для неї кристалічну решітку, а друга, втративши свою кристалічну будову, у вигляді окремих атомів розподіляється у кристалічній решітці першої.

Рентгенограма твердого розчину свідчить про наявність тільки одного типу решітки. При цьому речовина, яка зберігає свою кристалічну решітку при кристалізації, є розчинником, а яка втрачає, - розчинною.

Залежно від того, де атоми розчинного компоненту розташовуються у решітці компонента-розчинника розрізняють тверді розчини заміщення і тверді розчини впровадження.

У твердих розчинах заміщення (рис7.2, а) атоми розчинного елемента займають у вузлах кристалічної решітки розчинника місця його атомів. Оскільки при цьому заміщатися можуть будь-які вузли кристалічної решітки, то такі розчини називають неупорядкованими твердими розчинами.

Рис. 7.2. Схематичне зображення твердих розчинів:

а) заміщення, б) упровадження

* - атоми компонента-розчинника;

? - атоми розчинного компонента.

У зв'язку з тим, що розміри атомів компонентів завжди відрізняються один від одного, то при утворенні твердих розчинів заміщення кристалічна решітка метала-розчинника дещо деформується, але її форма при цьому не втрачається.

У твердих розчинах упровадженя атоми розчинного елемента розподіляються у кристалічній решітці компонента-розчинника, займаючи місця між його атомами (рис. 7.2, б). Оскільки у металів атоми в кристалічній решітці розташовуються близько один до одного і порожнини між ними мають малі розміри, то розміститися в них можуть тільки атоми з дуже малими розмірами.

Найменші розміри атомів мають деякі металоїди (H, N, C, B та ін.), які утворюють з металами тверді розчини впровадження. Проте, оскільки у цих елементів розміри атомів дещо перевищують розміри міжатомних проміжків у кристалічній решітці металів, то при утворенні твердих розчинів упровадження решітка також до певної міри деформується, і в решітці виникає напруження.

Відношення атомних діаметрів упроваджуючого елемента і розчинника повинно бути ?0,59, і при цьому концентрація твердого розчину впровадження не перебільшує 1-2%.

Хімічні сполуки частіше за все утворюються між елементами, розташованими далеко один від одного в таблиці Д.І. Менделєєва (тобто між тими, які суттєво відрізняються за своєю будовою, розмірами атомів і властивостями). Але сили взаємодії між різнорідними атомами компонентів при цьому повинні перебільшувати сили взаємодії між однорідними атомами, за умови того, що між ними немає хімічного типу зв'язку (окисли, іодіди та ін.) і того, що вони у тій чи іншій мірі характеризуються металевими властивостями (карбіди, нітриди тощо).

Хімічні сполуки мають ряд особливостей, які відрізняють їх від твердих розчинів і механічних сумішей. Це, зокрема:

а) співвідношення кількості атомів елементів, які утворюють хімічну сполуку, строго визначено у відповідності зі стехіометричною пропорцією, вираженою формулою А_mВ_n, тобто на m атомів компоненту А повинно припадати за кількістю рівно n атомів компоненту В;

б) вони мають свою кристалічну решітку, відмінну від решітки вихідних елементів;

в) властивості хімічної сполуки помітно відрізняються від властивостей вихідних елементів;

г) як і чисті метали вони мають єдину і постійну температуру плавлення.

Хімічні сполуки, як правило, наділені високою твердістю, але дуже крихкі.

Кристалізація сплавів. Під кристалізацією речовини розуміють процес її переходу із рідкого стану в твердий упорядкований.

У основі кристалізації сплавів, як і чистих металів, лежить наближення системи до найбільш стійкого стану при даних зовнішніх умовах, тобто наближення до стану з мінімальною вільною енергією. Проте, розглядаючи кристалізацію сплавів, слід мати на увазі, що зміна зрівноваженого стану багатокомпонентної системи визначається не тільки такими зовнішніми факторами як температура і тиск, але і внутрішніми, оскільки з уведенням у метал інших елементів з'являється нова термодинамічна змінна - склад (концентрація). Тому процес кристалізації металевих сплавів і пов'язані з ним численні закономірності їх будови описуються за допомогою так званих діаграм стану (діаграм фазової рівноваги).

Діаграма стану - це графічне зображення структурно-фазового стану сплавної системи залежно від її складу (концентрації) і температури.

Діаграма стану дає можливість вивчати структурно-фазові складові сплаву і співвідношення між ними залежно від складу та температури сплаву. Користуючись діаграмою стану, можна визначити можливість проведення термообробки і її режими, температури лиття та обробки металів тиском тощо.

Теоретичні основи для розробки діаграм стану були закладені Д.К. Черновим, а їх вивчення для багатьох металевих сплавних систем проведено М.С. Курнаковим і його співробітниками.

Принципи побудови діаграм стану сплавів. Побудова діаграм стану здійснюється різними експериментальними методами. Але найчастіше користуються методом термічного аналізу, сутність якого полягає в наступному. Відбирають серію зразків даної сплавної системи з різним співвідношенням компонентів (наприклад, зі зміною складу через кожні 10%) і після їх почергового розплавлення повільно охолоджують, фіксуючи швидкість охолодження за допомогою термопари і секундоміра. По цих даних будують термічні криві в координатах температура - час (криві охолодження). У результаті вимірювань дістають серію кривих охолодження, на яких при температурах фазових перетворень спостерігаються точки перегинів і температурні зупинки. При цьому точки, які відповідають початку процесу кристалізації називаються точками ліквідус («ліква» - рідкий), а кінцю - точками солідус («солід» - твердий). По здобутих кривих охолодження (по точках ліквідус і солідус) для сплавів різного складу даної сплавної системи будують діаграму стану в координатах температура (вісь ординат) - концентрація (вісь абсцис).

Сплавна система заліза з вуглецем є однією із найважливіших серед металевих сплавних систем, які застосовуються у вигляді металевих конструкційних матеріалів. Важко собі уявити галузь промисловості або техніки, де б не застосовувались представники цієї сплавної системи - сталі та чавуни. Отже, закономірності структурно-фазових перетворень у сталях та чавунах залежно від їх складу та температури саме і відображає діаграма стану залізо-вуглець (залізо-цементит).

Компонентами в сплавній системі залізо-вуглець, як це виходить із самої її назви, є залізо і вуглець. Отже, дамо їх коротку характеристику для більш глибокого подальшого розуміння фаз, які утворюються на їх основі.

Залізо (Fe) - метал сріблясто-білого кольору. Технічно чисте залізо вміщає 0,1 - 0,5% домішок, має густину 7,86г/см³ і температуру плавлення 1539±5⁰С. Воно має не дуже високі показники міцності (? = 250-350 МПа) і досить високу пластичність (? = 40-50%). Дуже важливим є те, що залізо є поліморфним металом, тобто воно здатне змінювати тип своєї кристалічної решітки при зміні температури в твердому стані. Зокрема, при кристалізації з рідкого стану в ньому утворюється об'ємоцентрована кубічна (ОЦК) решітка з довжиною ребра куба ?2,93·10-¹⁰м. Ця решітка існує до температури 1392⁰С. При 1392⁰С ОЦК-решітка перебудовується в гранецентровану кубічну (ГЦК) решітку з довжиною ребра куба ?3,65·10-¹⁰м, яка існує до температури 911⁰С. Після цього ГЦК-решітка знову перетворюється в ОЦК з іншими параметрами, ніж попередня ОЦК-решітка (довжина ребра куба ?2,9·10-¹⁰м). Це є дуже важливим з тієї точки зору, що ГЦК і ОЦК-решітки здатні розчиняти різну кількість вуглецю, що створює умови для утворення різних фаз, про які буде мова нижче.

При подальшому зниженні температури після 911⁰С ОЦК-решітка в залізі, залишаючись тією ж за формою, при 768⁰С зменшує свої розміри (довжина ребра куба стає ?2,86·10-¹⁰м) і в зв'язку з цим залізо набуває магнітних властивостей.

Залізо з ОЦК-решіткою має назву ?-Fe (альфа-залізо), а з ГЦК-решіткою - ?-Fe (гама-залізо).

Вуглець (С) - неметалевий елемент з густиною 2,5 г/см³, температурою плавлення 3500⁰С. У природі зустрічається у вигляді трьох модифікацій: алмаз - має складну кубічну решітку (орторомбічну); графіт - має просту гексагональну решітку і звичайне вугілля. Важливим є те, що розміри атомів вуглецю значно менші за розміри атомів заліза, що дозволяє йому втілюватись у решітку як ?-Fe, так і ?-Fe та утворювати тверді розчини впровадження. Саме ці тверді розчини поряд з хімічною сполукою (цементитом) і є фазами в залізо-вуглецевій сплавній системі. Вони відповідно мають назву: ферит і аустеніт. Розглянемо їх детальніше.

Ферит (Ф) - твердий розчин (впровадження) вуглецю в решітці ?-заліза. Не розглядаючи тут високотемпературну модифікацію фериту (вище 1392⁰С) як таку, що не має практичного значення, зазначимо, що його низькотемпературна модифікація (нижче 911⁰С) наближається за своїми механічними властивостями до властивостей технічно чистого заліза. Атоми вуглецю розташовуються у фериті по гранях елементарних комірок, а також у дефектах кристалічної структури. Максимальна розчинність вуглецю в решітці ?-заліза, тобто його максимальний вміст у фериті, відбувається при температурі 727⁰С і становить ?0,02%.

Аустеніт (А) - твердий розчин (впровадження) вуглецю в решітці ?-заліза. Атоми вуглецю в решітці ?-заліза розташовуються в середині елементарних комірок і в дефектах кристалічної структури. Максимально можлива розчинність вуглецю в решітці ?-заліза, тобто його максимальний вміст в аустеніті, відбувається при температурі 1147⁰С і становить 2,14%. Аустеніт має високу пластичність і не високі показники міцності.

Цементит (Ц) - це хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза Fe₃C), яка утворюється при вмісті вуглецю 6,69%. Цементит має складну ромбічну решітку з щільною упаковкою атомів. Це дуже тверда, але крихка фаза. Температура плавлення цементиту точно не визначається у зв'язку з його поступовим розпадом при нагріві. Найбільш точним вважається її визначення при нагріві лазерним променем, прийнято, що вона становить 1260⁰С.

Комбінаціями розглянутих вище твердих фаз у залізо-вуглецевій сплавній системі є ледебурит (Л) - механічна суміш кристалітів аустеніту і цементиту, яка є евтектикою, і перліт (П) - механічна суміш кристалітів фериту і цементиту, яка є евтектоїдом.

Зрозуміло, що крім цих твердих фаз і їх комбінацій, залізовуглецева сплавна система може перебувати і у вигляді розплаву, тобто для неї може бути характерним і рідинофазний стан.

Діаграма стану залізо-цементит. Переходячи до діаграми стану залізо-вуглецевої сплавної системи, зазначимо, що її сучасний вигляд зображено на рис. 7.3. Не зважаючи на те, що компонентами в залізовуглецевій сплавній системі є залізо і вуглець, діаграма частіше називається діаграмою стану «залізо-цементит». Це пояснюється тим, що при вмісті вуглецю 6,69% залізовуглецева сплавна система утворює хімічну сполуку - карбід заліза (Fe₃C), який поводить себе відносно заліза та фаз, які утворюються в системі на його основі, як новий компонент. Таким чином, діаграма стану залізовуглецевої сплавної системи відображає всі практично важливі закономірності щодо структурно-фазових перетворень, які відбуваються в системі, в межах співвідношення компонентів від 0 до 6,69% С. До того ж сплави, які вміщають вуглецю більше 6,69%, не мають ніякого практичного застосування із-за їх занадто високої крихкості, і таким чином, практичне значення діаграми стану залізо-вуглець обмежується концентрацією утворювання цементиту, що і визначає назву діаграми - «залізо-цементит».

Розглядаючи характерні (критичні) точки та лінії на діаграмі, їх зміст і значення, зауважимо, що побудова в лівому верхньому куті діаграми (ABJNHA), яка пов'язана з високотемпературними алотропними перетвореннями в залізі, може бути виключена із розгляду як така, що не має практичного значення. При розгляді ж інших точок на діаграмі для кожної точки будемо вказувати її «координати», тобто відображати температуру і вміст вуглецю, які відповідають даній точці. Отже, почнемо такий аналіз.

Точка А на діаграмі (С=0%, тобто Fe=100%, Т⁰=1539±5⁰С) відповідає температурі плавлення чистого заліза.

Точка D (С=6,69%, Т⁰=1260⁰С) відповідає температурі плавлення цементиту.

Точка С (С=4,3%, Т⁰=1147⁰С) відповідає концентрації і температурі, при яких відбувається одночасна кристалізація аустеніту і цементиту, тобто утворюється механічна суміш кристалітів аустеніту і цементиту, яка є евтектикою і називається ледебуритом (Л). Саме тому по пунктирній лінії вниз від точки С позначено ледебурит (Л=Ф+Ц).

Рис. 7.3. Діаграма стану Fe - Fe₃C

Лінія АBСD лінія ліквідус, з'єднує температури початку кристалізації сплавів різного складу в системі. При цьому зміна температури початку кристалізації сплавів доевтектичного складу (С<4,3%) відбувається по лінії АBС, і із рідини тут будуть виділятись кристаліти тієї фази, яка є перебільшуючою по відношенню до точки С, тобто аустеніту (на діаграмі це позначено як Р+А). Заевтектичні ж сплави (С>4,3%) будуть змінювати температуру початку своєї кристалізації по лінії DC, і оскільки тут перебільшуючою фазою є цементит, то саме він буде виділятись із рідини (Р+Ц_І). Лінія ж ECF (Т=1147⁰С), яка називається лінією евтектичних (ледебуритних) перетворень, буде з'єднувати з цих причин однакові температури.

Очевидно, що при температурі вище лінії ліквідус сплав будь-якого складу знаходиться в рідкому стані, що на діаграмі відображено літерою Р (рідина).

Лінія AECF лінія солідус, яка поєднує температури закінчення кристалізації сплавів різного складу в системі. Нижче цієї лінії сплав будь-якого складу знаходиться в твердому стані, хоча при цьому структурно-фазове комбінування в сплаві залежить від його складу і температури.

Частина лінії солідус ECF називається лінією евтектичних (ледебуритних) перетворень. Видно, що точка С на цій лінії відповідає збіганню температур початку і закінчення кристалізації сплаву з вмістом вуглецю 4,3% (евтектичний сплав), тобто видно, що евтектичний сплав характеризується найменшою температурою плавлення (кристалізації) з усіх інших сплавів системи.

Точка Е на діаграмі (С=2,14%, Т⁰=1147⁰С) відповідає максимально можливій розчинності вуглецю в решітці ?-заліза, тобто відображає максимально можливий вміст вуглецю в аустеніті.

Лінія ES відображає зменшення максимально можливої розчинності вуглецю у решітці ?-Fe залежно від температури. Так, наприклад, якщо при Т=1147⁰С у решітці ?-Fe розчиняється 2,14% С, то при температурі 850⁰С його розчинність становить ?1%. Нижче цієї лінії надлишковий вуглець, який виштовхується із решітки ?-Fe в зв'язку зі зменшенням його розчинності при зменшенні температури, сполучаючись з атомами заліза, утворює хімічну сполуку Fe₃C, тобто цементит, який уже є вторинним (Ц_ІІ), на відміну від цементиту первинного (Ц_І), який утворюється в системі при вмісті вуглецю >4,3% із рідкої фази (нижче лінії СD). Саме тому на діаграмі нижче лінії ES стоїть А+Ц_ІІ.

Зрозуміло також, що правіше точки Е нижче лінії ECF доевтектичні сплави (С<4,3%) будуть складатись з А+Ц_ІІ+Л, а заевтектичні (С>4,3%) - з Л+Ц_І

Точка G (0% С; 100% Fe, Т=911⁰С) відповідає температурі алотропного перетворення в залізі, зокрема, перетворенню ГЦК решітки ?-Fe в ОЦК - решітку ?-Fe при охолодженні й зворотному перетворенню - при нагріві.

Лінія GS на діаграмі відображає зменшення температури вказаного алотропного перетворення в залізі залежно від кількості розчиненого в ньому вуглецю. Так, якщо для чистого заліза ця температура становить 911⁰С, то для сплаву з вмістом вуглецю 0,5% вона уже становить ?800⁰С. При цьому, фактично, температури, які відповідають цій лінії, є температурами алотропного перетворення ?-Fe>?-Fe в сплавах з вмістом вуглецю С?0,8%, оскільки при впровадженні вуглецю в решітку ?-Fe температура цього перетворення залежить від кількості його впровадження. Тоді лінія GP поєднує температури закінчення процесу алотропного перетворення ?-Fe>?-Fe залежно від вмісту вуглецю в системі. Видно, що після концентрації, яка відповідає вмісту вуглецю 0,02% (точка Р на діаграмі), ця температура залишається сталою (727⁰С). Це пов'язане з тим, що точка S на діаграмі (С=0,8%, Т=727⁰С) відповідає процесу одночасної перекристалізації ?-Fe > ?-Fe і утворенню третинного цементиту і. За результатом цього утворюється механічна суміш кристалів Ф+Ц_ІІІ, яка є евтектоїдом і називається перлітом (П). Саме тому по вертикальній штриховій лінії вниз від точки S позначено перліт (П=Ф+Ц). При цьому в сплавах з вмістом вуглецю 0,02?С?0,8 наближення до евтектоїдної концентрації здійснюється за рахунок утворення фериту, а при вмісті вуглецю 0,8?С?2,14% - за рахунок цементиту. Тому лінія PSK (Т=727⁰С), яка називається лінією евтектоїдних (перлітних) перетворень, має сталу температуру.

Між тим, точка Р на діаграмі (С=0,02%, Т=727⁰С) відповідає максимально можливій розчинності вуглецю в решітці ?-Fe (ОЦК-решітка), тобто його максимальному вмісту у фериті.

Лінія PQ відображає зменшення цієї максимальної розчинності вуглецю в решітці ?-Fe залежно від температури, тобто зменшення вмісту вуглецю залежно від температури, у фериті. Нижче лінії PQ надлишковий вуглець, який виштовхується із решітки ?-Fe у зв'язку зі зменшенням його розчинності при зменшенні температури, сполучаючись з атомами заліза утворює хімічну сполуку Fe₃C, тобто цементит, який уже є третинним (Ц_ІІІ), на відміну від Ц_І, який утворюється в системі при кристалізації із рідкої фази, і Ц_ІІ, який утворюється при зменшенні розчинності вуглецю при зменшенні температури в решітці ?-Fe (нижче лінії ES на діаграмі). Отже, в зв'язку з цим на діаграмі під лінією PQ позначено Ф+Ц_ІІІ. Правіше точки Р під лінією PSK у межах концентрацій 0,02<С<0.8 до цього буде додаватись перліт, тобто буде Ф+Ц_ІІІ+П, а в межах концентрацій 0,02<С<2,14% поряд з перлітом буде цементит вторинний, тобто буде П+Ц_ІІ. При досягненні вмісту вуглецю С>2,14% і до 4,3% нижче лінії PSK до перліту і цементиту вторинного буде додаватись ледебурит, тобто буде П+Ц_ІІ+Л, а при С>4,3% поряд з ледебуритом буде уже цементит первинний, тобто буде Л+Ц_І.

Зрозуміло, що лівіше точки Р, тобто за межами лінії GPQ, буде область розташування чистого фериту.

Додамо, що сплави, які вміщають вуглецю до 2,14%, відносяться на діаграмі до сталей, а які вміщають більше 2,14% С (і до 6,69%) - до чавунів.

Сталь, яка вміщає вуглецю 0,8% називається евтектоїдною, а сталі з його вмістом <0,8% є доєвтектоїдними і з вмістом 0,8?С?2,14% - заевтектоїдними. Аналогічно чавун, який вміщає вуглецю 4,3%, називається евтектичним, а при 2,14?С?4,3% - доевтектичним і при 4,3?С<6,69% - заевтектичним.

Із всього вищерозглянутого видно, що діаграма стану залізо-цементит дає можливість одержати інформацію про структурно-фазовий стан сплаву будь-якого складу при будь-якій заданій для нього температурі й передбачити всі можливі структурно-фазові перетворення у сплаві даного складу при зміні його температури. Так, наприклад, якщо взяти сплав з вмістом вуглецю 0,5%, то про нього можна сказати наступне: це доевтектоїдна сталь із вмістом вуглецю 0,5%. При температурах <727⁰С вона складається з фериту і перліту з тими властивостями, які поєднують у собі ці фази. При нагріві >727⁰С у цій сталі починається перетворення Ф>А, яке завершується при температурі ?800⁰С, і потім сталь набуває аустенітної структури, яка є найбільш зрівноваженою для залізовуглецевих сплавів «стального» складу і є вихідною для отримання в таких сплавах інших структурно-фазових комбінувань у процесі термічної обробки. Потім, при Т?1425⁰С ця сталь починає плавитись, і при Т?1500⁰С процес плавлення в ній закінчується.

2. Конструкційні матеріали на основі залізовуглецевої сплавної системи

При розгляданні діаграми стану залізовуглецевої сплавної системи (діаграми стану залізо-цементит) було з'ясовано, що всі сплави цієї системи поділяються на сталі та чавуни. Але як конструкційні матеріали значно частіше застосовують сталі, оскільки до 82% усього чавуну, який виплавляється, іде на переробку в сталь. Саме тому розглянемо тут все, що стосується сталевих конструкційних матеріалів.

Загальна класифікація сталей. Вона відбувається за такими ознаками: за хімічним складом, за структурою, за якістю, за способом виробництва та за призначенням.

За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. Вуглецеві сталі є найдешевшими і найрозповсюдженими серед інших видів. Основними компонентами в цих сталях є залізо та вуглець, і саме вони визначають основні властивості цих сталей. Але слід додати, що до цих сталей входять і деякі домішки, які також впливають на їх властивості. Усі домішки, які входять у вуглецеву сталь, поділяються на: постійні, приховані, випадкові.

До постійних домішок належать: марганець, кремній, сірка і фосфор. Марганець та кремній додаються до шихти при виробництві сталі для її розкислення, тобто для зменшення вмісту в сталі окису заліза FeO, яка окрихчує сталь, надає їй червоно - або холодноломкості. Саме тому ці домішки ще називають технологічними. Зазвичай вуглецеві сталі вміщають 0,7 - 0,8% марганцю і до 0,5% кремнію.

Сірка та фосфор - шкідливі домішки, які входять у сталь з чавуном (основним вихідним матеріалом при виробництві сталі). Вони створюють ті погіршення механічних та технологічних властивостей сталі, які усуваються додаванням флюсів. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,06%, а фосфору 0,07%.

Приховані домішки - це такі гази як азот, кисень і водень. Вони можуть знаходитись у сталі як у вигляді розчину (наприклад, у фериті), так і у вигляді сполук, або розташовуватись у мікропорожнинах. Ці домішки також негативно впливають на механічні властивості сталі (зменшують її пластичні характеристики), і їх вміст не повинен перевищувати 10-² - 10-⁴%.

До випадкових домішок належать будь-які інші метали (крім заліза), які входять у сталь з металобрухтом і вміст яких не перевищує 2,5%. Ці домішки ускладнюють процес вироблення сталі заданого хімічного складу.

Якщо ж інші метали вводяться в сталь при її виробництві цілеспрямовано, то такі домішки називають легуючими, а сталь - легованою. Найбільш поширеними легуючими елементами є: хром (Х), вольфрам (В), молібден (М), титан (Т), кобальт (К), мідь (Д), алюміній (Ю), марганець (Г), кремній (С), нікель (Н) та ін.

Кожен із легуючих елементів, входячи в сталь, веде до покращення її властивостей. Так, наприклад, мідь підвищує антифрикційні властивості (зменшує коефіцієнт тертя); титан, утворюючи тверді карбіди в сталі, підвищує її твердість, кобальт - в'язкість, а молібден - теплостійкість.

Як вуглецеві, так і леговані сталі за вмістом вуглецю поділяють на низьковуглецеві (до 0,3% вуглецю), середньовуглецеві (від 0,3% до 0,7% вуглецю) і високовуглецеві (> 0,7% вуглецю).

За сумарним вмістом легуючих елементів леговані сталі поділяють на: низьколеговані (2,5 - 5%), середньолеговані (5 - 10%) і високолеговані (>10%)

За структурою вуглецеві сталі поділяються на евтектоїдні (С=0,8%), доевтектоїдні (С<0,8%) і заевтектоїдні (C>0,8%), а леговані - на сталі перлітного класу, аустенітного, ледебуритного та ін.

За якістю сталі поділяють на сталі звичайної якості, якісні, високоякісні (наприкінці марки ставлять букву А) і особливо високоякісні (наприкінці марки ставлять букву Ш).

За способом виробництва сталі поділяють на мартенівські, конверторні та електропічні. При цьому враховується ступінь їх розкислення: кип'яча сталь (кп, зовсім не розкислена), напівспокійна (пс, частково розкислена) і спокійна (сп, повністю розкислена).

За призначенням сталі поділяються на: конструкційні, інструментальні та сталі спеціального призначення (з особливими властивостями).

Конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості. Це найбільш дешеві сталі з усіх вуглецевих. Вони максимально загазовані й забруднені шкідливими домішками (сіркою до 0,06% і фосфором до 0,07%), а також неметалевими включеннями.

Виробляють ці сталі переважно мартенівським або конверторними способами, і, залежно від вимог замовника, поділяють на три групи: група А (гарантія за механічними властивостями), група Б (гарантія за хімічним складом), група В (гарантія за механічними властивостями і хімічним складом).

Випускають ці сталі у вигляді прокату (листів, прутків, балок та інших профілів).

Їх маркування буквено-цифрове, напівзмістове.

Літери «Ст» у марці позначають, що це конструкційна вуглецева сталь звичайної якості. Після цього цифрами від 0 до 7 позначають умовний номер марки сталі. Хоча зі збільшенням цієї цифри збільшується вміст вуглецю в сталі, точної кількості його вмісту в марці ця цифра не відображає. Зі збільшенням номера марки сталі збільшується показник її міцності, але зменшується пластичність. При маркуванні цих сталей також вказують ступінь їх розкислення індексами: «сп» - повністю розкислена, «пс» - частково розкислена, «кп» - не розкислена.

У марці сталі може вказуватись і спосіб її виробництва: «М» - мартенівська, «К» - конверторна. Електропічними способами сталі звичайної якості не виробляються.

Якщо сталь належить до групи А, то в марці буква А не ставиться.

Приклади марок: МВСт5пс - конструкційна вуглецева сталь звичайної якості, марки 5, напіврозкислена, мартенівського способу виробництва, гарантується за хімічним складом і механічними властивостями.

КСт2кп - конструкційна вуглецева сталь звичайної якості, марки 2, кип'яча (зовсім не розкислена), конверторного способу виробництва, гарантується за механічними властивостями.

Застосовуються конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості для елементів будівельних металоконструкцій, кріпильних деталей, заклепок, труб, арматури, прутів, дроту тощо.

Конструкційні вуглецеві якісні сталі. Ці сталі містять не більше 0,04% сірки та фосфору, вони також менше забруднені неметалевими включеннями і менш загазовані, ніж сталі звичайної якості. Тому при однаковому вмісті вуглецю ці сталі характеризуються приблизно однаковими твердістю та міцністю, але якісні сталі більш пластичні та в'язкі.

Всі ці сталі поділяються на дві групи: з нормальним вмістом марганцю (0,7 - 0,8%) і з підвищеним вмістом марганцю, що в марці відображається буквою «Г». Якщо при цьому вміст марганцю становить 1 - 1,5%, то після букви «Г» цифра не ставиться. Якщо ж вміст більший за 1,5%, то ставиться цифра, яка відображає вміст марганцю у процентах.

Маркування цих сталей буквено-цифрове змістове. Вимовляється, але не пишеться слово «сталь», потім стоїть цифра, яка відображає вміст вуглецю в сотих частках процента.

Приклади марок: 20 - (сталь 20), конструкційна вуглецева якісна сталь з вмістом вуглецю 0,2% і номінальним вмістом марганцю (0,7-0,8%); 40Г - (сталь 40Г), конструкційна вуглецева якісна сталь з вмістом вуглецю 0,4% і підвищеним вмістом марганцю (1-1,5%); 50Г2 - (сталь 50Г2), конструкційна вуглецева якісна сталь з вмістом вуглецю 0,5% і марганцю 2%.

Застосовуються конструкційні вуглецеві якісні сталі для виготовлення осей, валів редукторів та інших деталей машин.

Конструкційні леговані сталі. Ці сталі виготовляють якісними (вміст сірки і фосфору не перевищує 0,035%), високоякісними (вміст сірки і фосфору до 0,025%) і особливо високоякісними (вміст сірки ? 0,15%, а фосфору ? 0,025%).

Їх маркування буквено-цифрове, змістове. На початку марки зазвичай стоять цифри, які відображають вміст вуглецю в сталі в сотих частках процента. Потім ідуть букви, які позначають назву тих легуючих елементів, що входять у дану марку сталі. Якщо при цьому вміст легуючого елемента становить 1 - 1,5%, то після букви його позначення ніяка цифра не ставиться, а якщо ж його вміст перевищує 1,5%, то після букви-позначення ставлять цифру, що відображає його вміст у процентах. Наприкінці марки високоякісної сталі ставлять букву «А», а особливо високоякісної - букву «Ш»:

Приклади марок: 12ХН3А - конструкційна хромонікелева легована сталь з вмістом вуглецю 0,12%, нікелю 3%, хрому 1 - 1,5%, високоякісна.

30ХГСШ - кострукційна хромокремнієвомарганцева легована сталь з вмістом вуглецю 0,3%, а хрому, марганцю і кремнію по 1 - 1,5%, особливо високоякісна.

За ГОСТом конструкційні леговані сталі поділяються на 13 груп, назва яких визначається назвою легуючих елементів, що входять у неї. Наприклад, хромисті сталі, марганцеві, хромонікелеві тощо.

Сталі спеціального призначення. Деякі галузі промисловості та техніки (авіаційна техніка, ракетобудування, хімічна промисловість, ядерна енергетика, космічна техніка тощо) потребують таких конструкційних матеріалів, які працюють у надто відповідальних умовах: при високих температурах і великих навантаженнях, при різких коливаннях температур та навантажень, з хімічно високоактивними реагентами, підвищеною радіацією та агресивністю середовища тощо.

У зв'язку з цим і виготовляють сталі спеціального призначення (з особливими властивостями), які поділяються на три групи:

Корозієстійкі (нержавіючі) сталі - застосовуються в умовах підвищеної хімічної активності, в тому числі атмосферної. Так, наприклад, сталі 12Х13, 15Х13 застосовують для забезпечення корозієстійкості в атмосферних умовах (лопатки турбін, клапани гідравлічних насосів тощо).

Жаростійкі сталі - забезпечують надійну експлуатацію деталей машин при температурі 500 ^оС та більше у механічно напруженому стані і при підвищеній агресивності середовища. Так, наприклад, для клапанів авіаційних двигунів застосовують хромокремнієву сталь 40Х9С2, а для деталей паронагрівачів - аустенітну жаростійку сталь 45Х14Н14В2М.

Зносостійкі сталі - застосовують для виготовлення деталей машин та елементів конструкцій, які працюють в умовах високого тертя при високому навантаженні. Так, наприклад, для виготовлення ковшів ескаваторів та траків гусеничних машин застосовують високомарганцеву сталь Г13Л.

3. Інструментальні вуглецеві та леговані сталі. Тверді сплави

Це сталі, які застосовуються для виготовлення різноманітного інструмента. Вимоги, які висуваються до цих сталей, залежать від виду виготовленого інструмента: ріжучий, ударно-штамповий або вимірювальний. Але є і загальні вимоги, які ставляться до всіх інструментальних матеріалів - це висока твердість і міцність при задовільній в'язкості, гарна зносостійкість тощо.

Інструментальні вуглецеві сталі. За ГОСТом ці сталі вміщають від 0,65 до 1,35% вуглецю, тобто є високовуглецевими. Їх виготовляють якісними і високоякісними.

Маркування цих сталей буквено-цифрове, змістове. Буква «У» в марці позначає, що це інструментальна вуглецева сталь. Цифра, яка стоїть після «У», позначає вміст вуглецю в марці в десятих частках процента. Наприкінці марки високоякісної сталі ставиться буква «А».

Існує чотирнадцять марок таких сталей: від У7 (У7А) до У13 (У13А). При цьому марки У7 (У7А) і У8 (У8А) застосовуються для виготовлення інструмента по деревині (рубанків, фуганків, стамесок тощо), а також інструмента ударної дії (молотки, зубила, штампи та ін.).

Сталі марок У9 (У9А) - У11 (У11А) застосовуються для виготовлення мітчиків, плашок, свердел, різців та інших ріжучих інструментів, які застосовуються при обробці не дуже твердих матеріалів і при невеликих швидкостях різання.

Із сталей марок У12 (У12А), У13 (У13А) виготовляють напилки, граверний та шаберний інструмент.

Зауважимо, що інструментальні вуглецеві сталі високої якості більш тверді та в'язкі у порівнянні з аналогічними марками якісних сталей, і тому застосовуються вони для виготовлення інструмента з більш тонкою ріжучою кромкою. Ці інструментальні сталі є найдешевшими серед усіх інструментальних сталей, але вони мають низьку межу червоностійкості (при нагріві в процесі роботи до 200^оС вони втрачають свою міцність і, до того ж, характеризуються поганою прогартованістю).

Інструментальні леговані сталі вміщають від 0,9 до 1,4% вуглецю, тобто також є високовуглецевими. За призначенням і властивостями їх поділяють на дві групи: для ріжучого та вимірювального інструмента неглибокої (7ХФ, 9ХФ та ін.) та глибокої (9ХС, 9ХВР та ін.) прогартованості; для штампів холодного (Х6ВФ, Х12ФІ та ін.) та гарячого (3Х2В8Ф, 5ХНСВ та ін.) деформування і для ударного інструмента (4ХВ2С, 4ХС та ін.).

Маркування інструментальних легованих сталей відбувається за тим же принципом, що і маркування легованих конструкційних сталей, але перша цифра в марці відображає вміст вуглецю не в сотих, а в десятих частках процента, тому вона і є однозначною.

Інструментальні леговані сталі характеризуються межею червоностійкості до 250 - 280 ^оС і у порівнянні з вуглецевими інструментальними сталями мають більш високу прогартованість. Це дозволяє в певній мірі підвищити їх зносостійкість, ударну в'язкість і швидкість різання. Але при обробці твердих матеріалів і з високими швидкостями різання вони також не дають належного результату. Від цих недоліків позбавлені так звані швидкоріжучі сталі.

Швидкоріжучі сталі. Це сталі, в яких основним легуючим елементом є вольфрам. Вони характеризуються межею червоностійкості до 600 - 650 ^оС, що дозволяє підвищити швидкість різання в порівнянні з вуглецевими інструментальними сталями в 3 - 4 рази.

Їх маркування буквено-цифрове, змістове. Буква «Р», яка стоїть на початку марки, позначає, що це швидкоріжуча сталь. Цифри, які стоять за буквою «Р» позначають вміст вольфраму в процентах.

Приклади марок: Р12, Р18 (швидкоріжучі сталі з вмістом вольфраму 12 і 18% відповідно).

Якщо в швидкоріжучу сталь додаються інші легуючі елементи, крім вольфраму (це робиться через дефіцитність і високу коштовність вольфраму), то це відображається написанням відповідних букв у марці, після яких ставляться цифри, що показують вміст цього легуючого елемента в процентах. Наприклад: Р6М3, Р6М5 (швидкоріжучі сталі з вмістом по 6% вольфраму і по 3 і 5% молібдену відповідно).

Швидкоріжучі сталі застосовуються для виготовлення інструмента, який працює при великих швидкостях різання, подачах і в умовах динамічних навантажень: різці, протяжки, довбали тощо. Із марок цих сталей із вмістом кобальту (наприклад, Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2) виготовляють інструменти для обробки твердих матеріалів, жаростійких та корозієстійких сталей.

Тверді сплави - це порошкові матеріали, основу яких складають тверді карбіди таких тугоплавких елементів як вольфрам, титан і тантал, а зв'язуючими є метали групи заліза (частіше всього кобальт).

Ці матеріали є типовими представниками металокераміки. Вони мають високі твердість і червоностійкість (до 1000 ^оС).

На практиці застосовують три групи цих сплавів: група ВК (вольфрамова, однокарбідна); група ТК (титановольфрамова, двокарбідна); група ТТК (титанотанталовольфрамова, трикарбідна).

Маркування цих сплавів буквено-цифрове, змістове. Буква «К», яка входить у марку кожної сплавної групи, позначає, що це кобальт. Буква «В» у групі ВК позначає «вольфрам», буква «Т» у групі ТК і ТТК позначає титан і тантал відповідно.

Цифра, яка стоїть після букви «К» у сплаві будь-якої групи, позначає вміст кобальту в процентах; яка стоїть після букви «Т» у сплаві групи ТК, - вміст карбіду титану, і яка стоїть після другої букви Т у сплаві ТТК - сумарний вміст карбідів титану і танталу в процентах.

Вміст вольфраму в сплавах групи ВК визначається відніманням від 100% процентного вмісту кобальту, а в сплавах групи ТК і ТТК - відніманням від 100% сумарного процентного вмісту кобальту і карбідів титану й танталу. Наприклад, марка сплаву ВК6 вміщає 6% кобальту і 94% карбіду вольфраму. Марка сплаву ТТ7К34 вміщає 34% кобальту, 7% карбідів титану й танталу і 59% карбіду вольфраму.

Введення до вольфраму інших карбідоутворюючих елементів (титану і танталу) підвищує твердість сплаву, температуру злипання різця з оброблюваним матеріалом (на 100-150 ^оС), червоностійкість тощо. Саме тому умови застосування інструмента з цих сплавів можуть бути більш жорсткими по мірі переходу від групи ВК до групи ТТК.

Такі сплави групи ВК як ВК2 і ВК3 застосовуються, зокрема, для чистової обробки чавунів, кольорових металів, неметалевих матеріалів (скло, тверді пластмаси тощо.). Для обробки жароміцних сталей і твердих чавунів - сплав ВК6М, буріння гірських порід - ВК6В, волочільного інструмента - ВК15. Літери М і В тут позначають дрібно- й крупнозернистість сплаву відповідно.

Сплави групи ТК застосовуються для високошвидкісного точіння сталей (Т30К4), для торцевого точіння і фрезерування сталевих заготовок та відливок по скорині та окалині (Т5К10).

Сплави групи ТТК застосовуються для обробки твердих сталей і сплавів (ТТ10К8В), для чорнового точіння і стругання поковок, штамповок і відливків по корці з раковинами, піском і т. ін. (ТТ7К12).

4. Кольорові метали та їх сплави

Кольорові метали і сплави, незважаючи на їх більш високу коштовність у порівнянні з чорними, використовуються в техніці також дуже широко. Це пояснюється тим, що вони характеризуються рядом унікальних природних властивостей: високими тепло - та електропровідністю, гарною корозійною стійкістю, більш високою пластичністю ніж чорні метали та сплави, меншою густиною тощо.

У техніці найчастіше застосовують такі кольорові метали як мідь, алюміній, магній, титан, цинк та ін. Отже, розглянемо деякі з них.

Мідь та її сплави. Мідь - метал рожево-червоного кольору. Технічно чиста мідь характеризується густиною 8,96% г/см³ і температурою плавлення 1083 ^оС, тобто це досить важкий і тугоплавкий метал.

Чиста мідь характеризується високими тепло - та електропровідністю, гарними пластичністю і корозієстійкістю у вологій атмосфері та воді. Застосовується чиста мідь переважно в електро - та радіотехніці. У машинобудуванні частіше застосовують сплави на основі міді, найважливішими із яких є латуні та бронзи.

Латунь - це сплав міді лише з цинком (це проста чи подвійна латунь) або з цинком та іншими елементами (така латунь називається спеціальною або складною). Латунь міцніша, корозієстійкіша і дешевша за чисту мідь.

Маркування латуней буквено-цифрове, змістове. Буква «Л», що ставиться на початку марки сплаву, позначає, що це латунь. Потім у марці простої латуні стоїть двозначна цифра, яка відображає вміст міді у сплаві в процентах. Наприклад: Л96; Л85, Л68.

Вміст цинку в кожній із цих марок становить різницю між 100% і процентом вмісту міді. Так, позначення марки вміщають по 96, 85, 68% міді і по 4, 15, 32% цинку відповідно.

У марці спеціальної латуні після букви «Л» стоять букви, які позначають назву тих легуючих елементів, що входять у дану марку додатково до цинку. Після цього ідуть цифри, перша з яких відображає вміст міді в процентах, а наступні - вміст легуючих елементів відповідно до послідовності їх розташування. Наприклад, ЛС59-1, ЛАЖМц66-6-3-2. У першій із цих марок 59% міді і 1% свинцю, а в другій - 66% міді, 6% алюмінію, 3% заліза і 2% марганцю.

Вміст цинку в складних (спеціальних) латунях визначається у результаті віднімання із 100% сумарного вмісту міді і всіх легуючих елементів, що входять у дану марку. Так, у першій із позначених марок цинку 40%, а в другій - 23%.

Із розглянутих марок видно, що крім цинку, до складної латуні можуть входити такі елементи як алюміній, залізо, нікель, марганець тощо.

Всі латуні гарно обробляються тиском і мають непогані ливарні властивості.

Прості (подвійні) латуні застосовують для виготовлення деталей трубопроводів, фланців, бобишок, деталей теплових установок, що працюють при температурах до 250 ^оС.

Складні латуні застосовують для виготовлення втулок, фасонного лиття, підшипників, корозієстійких деталей, черв'ячних гвинтів, які працюють у тяжких умовах.

Бронза - сплав міді з іншими елементами з включенням олова (така бронза називається олов'яною) або без такого влючення (це безолов'яна чи спеціальна бронза).

До олов'яних бронз найчастіше входять такі елементи як фосфор, цинк, свинець та ін.

Спеціальні бронзи включають алюміній, берилій, кремній, марганець, свинець та інші елементи. При цьому назва спеціальної бронзи, як правило, визначається назвою того легуючого елемента, який для неї є основним (алюмінієва, берилієва, кремнієва тощо).

Маркування бронз буквено-цифрове, змістове. Літери «Бр» у марці позначають, що це бронза. Потім ідуть букви, які позначають назву тих легуючих елементів, що входять до даної марки бронзи. Після стоять цифри, які позначають відповідний вміст цих елементів у процентах. Наприклад: БрОЦСН 7-3-5-1, тобто це олов'яна бронза з вмістом олова 7%, цинку 3%, свинцю 5% і нікелю 1%. Вміст міді в марці визначається як 100% мінус сума цифр, які позначають вміст легуючих елементів, що входять у дану марку. Очевидно, що в даному випадку бронза вміщає 84% міді.

Усі бронзи за технологіями їх обробки поділяють на деформуючі (обробляються тиском, різанням) і ливарні (обробляються литтям).

Бронзи більш міцні, тверді й менш пластичні, ніж латуні, та дорожчі за них.

Застосовують бронзу для виготовлення деталей водяної та парової арматури, пружин, черв'ячних коліс, прокладок підшипників, втулок та інших деталей.

Алюміній та його сплави. Алюміній - метал сріблясто-білого кольору, легкий (густина 2,7 г/см³), але низькоплавкий (температура плавлення 660 ^оС).

Чистий алюміній - високопластичний метал, з гарними тепло - та електропровідністю та корозієстійкістю. Він застосовується для виготовлення різноманітних ємностей, предметів широкого побутового застосування. Але в техніці частіше застосовують сплави алюмінію з іншими металами, зокрема, такими як мідь, магній та марганець. Усі такі сплави характеризуються кращими, ніж алюміній, властивостями, їх поділяють на деформуючі та ливарні.

Типовим представником деформуючого алюмінієвого сплаву є дюралюміній.

Дюралюміній - це сплав на основі алюмінію, основним легуючим елементом в якому є мідь (3,8% - 4,8%). Крім того, до нього входять марганець (0,4% - 0,8%) та магній (0,4% - 0,8%). Для підвищення міцності дюралюмінію в нього вводять цинк, а жаростійкості - нікель.

Маркування дюралюмінію буквено-цифрове, умовне. Наприклад: Д1, Д16, Д8. Буква «Д» у марці позначає, що це дюралюміній, а цифри після букви «Д» - умовний номер сплаву, склад якого з'ясовується за службовою документацією.

Застосовують дюралюміній в авіації та інших галузях машинобудування.

Представником ливарного алюмінієвого сплаву є силумін.

Силумін - це сплав на основі алюмінію, основним легуючим елементом в якому є кремній (5-14%). Маркування силумінів також буквено-цифрове, умовне. Наприклад: АЛ2, АЛ4. Літери «АЛ» у марках позначають, що це алюміній ливарний, а цифра - умовний номер сплаву, за яким, користуючись службовою документацією, можна з'ясувати склад сплаву.