Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский военный институт внутренних войск

МВД России

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ

Учебное пособие

Пермь, 2011

УДК 621.791

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.Д.Щицын

(Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. В.Я.Беленький

(Пермский государственный технический университет)

Косолапов О.А., Ериков А.П., Логинов В.В., Цимберов Д.М.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебное пособие. - Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2011. - 84 с.

Описаны атомно-кристаллическое строение металлов, свойства металлов, строение и свойства сплавов, термическая, химико-термическая, термомеханическая обработка стали, способы повышения надёжности работы машин.

Описаны материалы, применяемые для изготовления деталей машин и конструкций, приведена их классификация и маркировка, указаны области их применения.

Курс лекций предназначен для курсантов, изучающих дисциплину «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

УДК 621.791

Раздел 1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Атомно-кристаллическое строение металлов

1.1 Кристаллические решетки металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, их атомы располагаются в пространстве с определенной закономерностью, образуя кристаллическую решетку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наименьшая часть объема кристаллической решетки, которая определяет ее систему, называется элементарной кристаллической ячейкой. Любое кристаллическое тело можно представить построенным из элементарных кристаллических ячеек, многократно повторяемых в направлениях осей координат (рис. 1, а).

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная кристаллические решетки.

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 1, б) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом в центре (Mo, W, Na, K, Fe и др.).

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 1, в) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани (Ni, Cu, Al, Fe, и др.).

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 1, г) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы (Mg, Zn, Ti и др.).

1.2 Полиморфизм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждая модификация устойчива лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами , , и т.д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов), что связано с выделением или поглощением теплоты. При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Железо известно в двух полиморфных модификациях и . На рис. 2 приведена кривая охлаждения железа.

Железо при комнатной температуре обладает ОЦК решеткой; эту модификацию называют -железом. При нагреве до 768 С -железо теряет магнитные свойства, кристаллическая решетка при этом не меняется. При 911 С ОЦК решетка в железе превращается в ГЦК; железо с такой решеткой называют -железом. При 1392 С -железо превращается в -железо с ОЦК решеткой, существующее до температуры плавления 1539 С.

1.3 Дефекты кристаллического строения реальных кристаллов

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения влияют на свойства металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К точечным дефектам (рис. 3), размеры которых по всем трем пространственным координатам соизмеримы с размером атома, относят вакансии, межузельные атомы и примесные атомы.

Отсутствие атома в узле кристаллической решетки называется вакансией (рис. 3, а).

Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки (рис. 3, б) или внедрение в решетку инородного (примесного атома). Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки и снижению прочности металлов.

Дислокации это линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают два вида дислокаций краевые и винтовые.

Краевая дислокация (рис. 4), представляет собой местное искажение кристаллической решетки из-за наличия лишней полуплоскости, называемой экстраплоскостью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости и называется краевой дислокацией.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поверхностные дефекты (рис. 5) представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами и их блоками. На границе зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов. Дислокации облегчают пластическое деформирование металла.

1.4 Кристаллизация металлов

Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией, в газообразное сублимацией.

На рис. 6 приведена схема кристаллизации металла. До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает, главным образом, в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви оси первого порядка I (рис. 7).От осей первого порядка начинают расти новые оси второго порядка II, от осей второго порядка оси третьего порядка III и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 8 показана схема строения металлического слитка.

При кристаллизации слитка в результате соприкосновения металла с холодной стенкой изложницы, образуется зона мелких равноосных кристаллов 1. Зона столбчатых кристаллов 2 имеет направленный характер в связи с тем, что они растут от стенки изложницы к центру по направлению отвода тепла. Зона 2 еще более замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаждения еще более уменьшается, поэтому в центре слитка образуется зона крупных неориентированных кристаллов 3.

2. Свойства металлов

Различают механические, физические, химические, технологические, эксплуатационные свойства металлов.

2.1 Механические свойства

Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца

.

Напряжения вызывают деформацию металлического образца (изменение формы и размеров под влиянием внешней нагрузки) упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность.

Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом, кручением. Чаще прочность металла характеризуют пределом прочности при растяжении временным сопротивлением в Па:

,

где Рв максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед разрушением, Н;

F0 начальное сечение образца, мм2.

Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке со скоростью 2…15 мм/мин. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией.

На рис. 9 приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки а эта деформация пропорциональна действующему напряжению (нагрузке), что выражается законом Гука: [ = Р/F0 напряжение в металле, Мн/м2 (кгс/мм2); Р приложенная нагрузка, МН (кгс); F0 начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; l абсолютное удлинение, мм; l0 начальная длина образца, мм].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важнейшей характеристикой упругой прочности является предел упругости. Теоретический предел упругости максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию, т.е. (рис. 9, а).

Ввиду трудности определения уп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005…0,05 % от начальной длины образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией (см. рис. 9, а) .

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине.

Физический предел текучести напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке .

На диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок с d: пластическая деформация (удлинение) «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяется условный предел текучести, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию % l0, т.е. равную 0,2 % от начальной расчетной длины образца (см. рис. 9, б), или .

В точке В, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» сужения поперечного сечения, деформация из равномерной переходит в местную. Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Предел прочности в напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: .

Пластичность способность тела (металла) получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением, определяемыми при испытаниях на растяжение.

Относительное удлинение

,

где l0 и lк начальная и конечная длина образца;

lост абсолютное удлинение образца, определяемое измерением образца после разрыва или по диаграмме растяжения (см. рис. 9).

Относительное сужение

,

где F0 начальная площадь поперечного сечения образца;

Fк конечная площадь поперечного сужения образца в шейке после разрыва.

Твердость материала сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела наконечника (индентора), например шарика, конуса и т.п., недеформирующегося при вдавливании.

Твердость измеряют методами Бринеля, Роквелла, Виккерса и др.

Твердость по Бринелю определяют статическим вдавливанием в испытуемую поверхность под нагрузкой Р стального закаленного шарика диаметром D (рис. 10, а). Число твердости НВ определяют отношением нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка лунки (шарового сегмента) F диаметром d т.е.



По методу Роквелла (рис. 10, б) в испытуемую поверхность вдавливают индентор алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной шарик малого диаметра. Число твердости HR обратно пропорционально глубине внедрения индентора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зависимости от шкалы прибора введены следующие обозначения чисел твердости: HRA, HRB и HRC. Шкалы С и А используют при измерении твердых, очень твердых (твердость > 450 НВ) и тонких материалов. Шкала В предназначена для испытания мягких материалов.

Метод Виккерса (рис. 10, в) позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых материалов. Этим методом можно измерять твердость очень тонких изделий, а также твердость поверхностных слоев, например, при обезуглероживании, поверхностном наклепе, цементации и т.д.

Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом = 136 между противоположными гранями (рис. 10, в). Число твердости

,

где d величина диагонали отпечатка;

Р = 50…1000 Н (5…100 кгс).

Вязкость является одним из основных механических свойств. Она выражает способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации. Для оценки вязкости материалов и установления их склонности к переходу из вязкого в хрупкое состояние наиболее часто проводят ударные испытания на маятниковом копре надрезанных образцов по схеме (рис. 11). Характеристикой вязкости является ударная вязкость.

Ударная вязкость КС представляет собой работу (необходимую для разрушения), отнесенную к рабочей площади поперечного сечения образца.

Дж/м2.

где А работа, затраченная на разрушение образца;

F0 площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

В зависимости от формы надреза ударную вязкость обозначают коэффициентом КС с соответствующей последующей буквой (KCV, KCU, KCT).

Усталость. Детали машин могут подвергаться воздействию повторно-переменных (циклических) напряжений. В пределах цикла напряжения могут принимать наибольшее и наименьшее значения. Циклы характеризуются коэффициентом асимметрии , если , то цикл симметричный и .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Постепенное накопление повреждений в металле, возникающее при действии циклических нагрузок, приводит к образованию трещин и разрушению. Это явление называется усталостью. Свойство же металлов противостоять усталости называется выносливостью.

По результатам специальных испытаний строят кривые усталости (рис. 12, б). Пределу выносливости (1 при симметричном или R несимметричном циклах) соответствует напряжение max, не вызывающее разрушения образцов при бесконечно большом числе циклов нагружений N. Введены базы испытаний: для стали 1 не менее 10106 циклов и цветных сплавов 2 не менее 100106 циклов.

2.2 Физические и химические свойства

Физические свойства характеризуют температуру плавления металлов, их плотность, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, магнитную проницаемость и т.п.

Химические свойства металлов определяются их химической активностью, способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими агрессивными средами, расплавленными металлами, коррозионной стойкостью.

2.3 Технологические свойства

Технологические свойства характеризуют способность металлов образовывать отливки, свариваться, подвергаться обработке давлением, резанием и др.

Литейные свойства металлов определяются жидкотекучестью способностью заполнять литейную форму, усадкой сокращением размеров и объема отливки при затвердевании, склонностью к ликвации неоднородности химического состава по сечению отливки, вызванной условиями затвердевания.

Деформируемость это способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Обрабатываемость резанием способность металлов подвергаться обработке режущими инструментами с целью получения деталей определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

2.4 Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства характеризуют способность металла работать в определенных условиях. Сюда относятся:

Коррозионная стойкость сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С.

Жаропрочность способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Износостойкость способность материала сопротивляться изнашиванию. Чем выше износостойкость, тем дольше режущий инструмент будет сохранять свою остроту и размеры.

Теплостойкость свойство материала сохранять свою твердость и режущие способности при высоких температурах.

3. Строение и свойства сплавов

3.1 Основные сведения о металлических сплавах

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому чаще используют металлические сплавы вещества, состоящие из двух и более элементов. Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы компонентов равномерно перемешаны друг с другом. При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, от характера которого зависит их строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую решетку, является растворителем, а другой (или другие) распределяется в кристаллической решетке растворителя, не изменяя ее типа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зависимости от характера распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения (рис. 13, а) и внедрения (рис. 13, б). Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. При неограниченной растворимости возможна любая концентрация (от 0 до 100 %) растворенного вещества (при концентрации более 50 % растворенное вещество становится растворителем).

Для образования твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью необходимо соблюдение следующих условий:

изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8…13 %;

близость физико-химических свойств компонентов.

Химическим соединением называют вещество, характерными особенностями которого являются:

постоянство состава, выраженное формулой, которая отвечает определенному соотношению количества атомов компонентов А и В в нем;

наличие нового типа кристаллической решетки, отличающегося от типов решеток сплавляемых компонентов;

ярко выраженное существенное изменение всех свойств.

Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического взаимодействия. При этом образуется двухфазная структура сплава, представляемая чередующимися зернами чистых компонентов А и В.

При изучении явлений, протекающих в металлах и сплавах в процессе превращений, пользуются понятиями: система, фаза, компонент, структурная составляющая, диаграммы состояния.

3.2 Железоуглеродистые сплавы

К железоуглеродистым сплавам относятся сталь и чугун. Сталь это сплав железа с углеродом (С = 0,02…2,14 %). Чугун это сплав железа с углеродом (С = 2,14…6,67 %).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:

аустенит твердый раствор углерода в -железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1145 С; с понижением температуры до 727 С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита немагнитна и имеет высокие пластичность и вязкость;

феррит твердый раствор углерода в -железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 С; феррит имеет малую твердость и высокую пластичность;

цементит химическое соединение железа с углеродом Fe2C (6,67 % С); имеет большие твердость и хрупкость;

перлит механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру перлита, обладает большими прочностью и твердостью;

ледебурит (4,3 % С) механическая смесь (эвтектика) аустенита или перлита и цементита; ниже 727 С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита;

графит углерод в свободном состоянии, располагается в основной массе металла и имеет развитую объемную форму в виде пластинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит компактных форм (шаровидный или хлопьевидный).

3.3 Диаграмма состояния FeFe3C

В сплавах при охлаждении и нагреве происходят изменения и образуются новые фазы и структуры. Эти изменения можно определить по диаграмме состояния. Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фаза однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. Большое практическое значение имеет диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 14).

Линия на диаграмме FeFe3C ACD ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область существования феррита ограничена площадью OQPG, аустенита GSEA. На линии DFKL образуется цементит, на ECF ледебурит, на PSK перлит.

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Железоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния FeFe3C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные (0,02…0,8 % С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (0,8…2,14 % С, структура П + ЦII). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14…4,3 % С, структура П + ЦII + Л); эвтектические (4,3 % С, структура Л) и заэвтектические (4,3…6,67 % С, структура ЦI + Л).

Практическое применение диаграммы FeFe3C: диаграмму FeFe3C используют для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали; для назначения температурного интервала при обработке давлением; для определения температуры плавления и заливки сплава и его литейных свойств (жидкотекучести, усадки).

Влияние структурного состава железоуглеродистых сплавов на их свойства.

Между фазовым составом и свойствами сплавов существует определенная зависимость. Сплавы, образующие механические смеси и твердые растворы, обладают тем более низкими литейными свойствами в области твердых растворов, чем больше расстояние между линиями солидус и ликвидус. Однако, с появлением в сплаве второй фазы увеличивается жидкотекучесть, возрастают сопротивление усадочным напряжениям и склонность к образованию концентрированной усадочной раковины. Наилучшими литейными свойствами обладают эвтектические или близкие к ним по составу сплавы. Эти же сплавы лучше обрабатываются резанием. Однофазные сплавы твердые растворы лучше деформируются в холодном и горячем состоянии.

В случае неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии свойства изменяются по криволинейной зависимости. Небольшие добавки второго элемента сильно повышают прочностные характеристики и электрическое сопротивление сплавов при некотором снижении пластичности. При больших концентрациях второго элемента указанный эффект значительно ослабляется. В случае повышенных температур пластичность твердых растворов весьма высока. При образовании ограниченных твердых растворов зависимость свойств от состава как бы складывается из двух зависимостей, рассмотренных ранее.

Фазовый состав любой углеродистой стали в равновесном состоянии: феррит + цементит. Количество последнего возрастает пропорционально росту содержания углерода. Поскольку цементит твердая и хрупкая фаза, то увеличение его количества сопровождается повышением прочностных свойств, твердости (в, 0,2, НВ), падением пластичности (, ) и особенно ударной вязкости (KCU). Падение прочности с увеличением содержания углерода в заэвтектоидных сталях объясняется наличием хрупкой цементитной сетки на границах перлитных зерен. Повышение содержания углерода ухудшает и технологические свойства: свариваемость, обрабатываемость резанием, деформируемость.

При выборе режима обработки давлением по соответствующим диаграммам состояния определяют температурный интервал существования однофазных твердых растворов. Двух- и многофазные сплавы хорошо обрабатываются резанием, а однофазные твердые растворы плохо.

Диаграммы состояния помогают определять и литейные свойства сплавов. Если расстояние между линиями ликвидус и солидус велико, то в твердых растворах усиливается дендритная ликвация и уменьшается жидкотекучесть. Значительный температурный интервал кристаллизации свидетельствует о склонности к образованию в отливке рассеянной пористости. И, наконец, при большом интервале кристаллизации создается перепад температур в объеме кристаллизующегося металла, что затрудняет усадку, особенно в крупных отливках, и приводит к образованию трещин в металле. При небольшом интервале кристаллизации твердые растворы имеют более высокие литейные свойства.

Таким образом, диаграммы состояния позволяют теоретически прогнозировать свойства сплавов, создавать промышленные сплавы с заданными свойствами и выбирать оптимальные виды обработки для получения заданной структуры и свойств.

3.4 Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов

На свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие в них постоянных примесей (вредных серы, фосфора, кислорода, азота, водорода; полезных кремния, марганца и др.). Эти примеси могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома хром, никель и др.; в процессе раскисления кремний и марганец.

Влияние углерода. Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Влияние серы. Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + Fe. При кристаллизации сплава легкоплавкая эвтектика располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, в результате чего нарушается связь между зернами, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости. Допускается содержание серы до 0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор растворяется в - и -железе, искажает кристаллическую решетку и ухудшает пластические свойства сплава. Фосфор вызывает явление хладноломкости. Фосфор вредная примесь, и его содержание в сталях не должно превышать 0,08 %. В чугуне допускается до 0,3 % Р.

Влияние азота, кислорода и водорода. Эти элементы присутствуют в сплавах или в составе хрупких неметаллических включений, например оксидов FeO, SiO2, Al2O3, нитридов Fe4N, или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Неметаллические включения служат концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность).

Водород поглощается сталью в атомарном состоянии. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, и в молекулярной форме он накапливается в микропорах под высоким давлением. Таким образом, водород может стать причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов).

Влияние кремния и марганца. Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке в процессе раскисления. Оксиды кремния (SiO2) связывают закись железа (FeO) в силикаты (FeOSiO2) и удаляются вместе со шлаками.

4. Термическая обработка стали

4.1 Основы термической обработки стали

Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение.

Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы FeFe3C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 15).

На диаграмме FeFe3C различают линии, соответствующие температурным интервалам, критическими точками: линия GS (910…727 С) точка А3; линия PSK (727 C) точка А1; линия SE (1147…727 С) точка Аm.

4.2 Отжиг сталей, виды отжига

Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур (точек Ас1 или Ас3), выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью).

Цель отжига устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках, для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприятного распределения избыточных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 С, длительную выдержку (в течение 8…20 ч) и медленное охлаждение. Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост зерна стали, поэтому требуется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Процесс включает нагрев до температур, превышающих порог рекристаллизации (650…760 С), выдержку в течение 0,5…1,5 ч и последующее медленное охлаждение. После такого отжига вытянутые в результате деформации зерна феррита становятся равноосными, а также происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате повышается пластичность сталей.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации. Процесс включает нагрев до 160…700 С, выдержку в течение 2…3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обработки: после резания при 570…600 С, сварки 650…700, шлифования 160…180 С.

Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас3 или Ас1 и подразделяют на полный, неполный и изотермический.

Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений. Сталь нагревают на 30…50 С выше точки Ас3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают вместе с печью. Образовавшийся в процессе мелкозернистый аустенит обеспечит стали высокую вязкость и пластичность.

Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей. Он включает нагрев на 30…50 С выше точки Ас1, но ниже точки Ас3, выдержку и последующее медленное охлаждение.

Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2…3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температуры выше точки Ас3 на 20…30 С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680…620 С (ниже температуры точки Аr1 на 50…100 С) и выдержку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.

Изотермический отжиг приводит к получению более однородной феррито-перлитной структуры, так как температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Поэтому изотермический отжиг применяется часто, особенно для легированных сталей.

4.3 Нормализация сталей

Нормализацией стали называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ас3, эвтектоидной стали выше точки Ас1, заэвтектоидной стали выше точки Асm на 30…50 С, выдержка и последующее охлаждение на воздухе.

После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига, но перлит будет более дисперсным (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).

Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будет выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.

4.4 Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей.

Закалка процесс нагрева стали выше точки Ас3 (полная закалка) или Ас1 (неполная) на 30…50 С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (Ас3 + 30…50 С), при этом обеспечивается полное превращение феррито-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а после охлаждения мелкокристаллического мартенсита. Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита низкой твердости. Твердость стали после закалки будет неоднородна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.

При нагреве заэвтектоидных сталей на 30…50 С выше температуры точки Ас1 перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита. Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше Аст снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.

Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Под критической скоростью закалки Vкр понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью 600 НВ, износостойкостью и прочностью, но низкой ударной вязкостью.

Малая скорость охлаждения V1 < Vкр приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью 10 HRC. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали V2 > V1 представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита 20 HRC. Стали с сорбитной структурой износостойкие и используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения V3 > V2 в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550 С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет 30 HRC.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (Vкр). При этом мртенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит твердая и хрупкая структура; твердость его 62…66 HRC.

4.5 Отпуск стали. Виды отпуска

Отпуску подвергают закаленную сталь с целью повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки Ас1 (линия PSK) и затем охлаждают обычно на воздухе.

В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низко-, средне- и высокотемпературный.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска. Этот вид отпуска применяется, в основном, для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.

Основное превращение при отпуске распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

Распад мартенсита завершается при температуре около 400 С, образовавшуюся ферритоцементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперсность ферритоцементитной смеси снижается и при температуре 500…650 С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200… 300 С происходит распад остаточного аустенита с образованием отпущенного мартенсита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120…150 С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до температур 350…450 С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500…650 С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35…0,6 % С).

После закалки (при охлаждении в воде) углеродистой стали (0,4 % С) и отпуске при 300 С в = 1300 МПа, = 12 %, = 35 %, а при отпуске 600 С в = 620 МПа, = 22 %, = 55 %.

4.6 Химико-термическая обработка сталей

Химико-термической обработкой называют технологический процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя деталей различными элементами с целью изменения его состава, структуры и свойств.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Проведение любой химико-термической обработки деталей включает следующие стадии:

1) диссоциацию химических соединений, в состав которых входит насыщающий элемент, с образованием активных атомов диффундирующего элемента;

2) адсорбцию диффундирующих элементов на поверхности металла, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффузионно-активным элементом;

3) собственно диффузию проникновение элемента в глубь металла.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация легирующего элемента максимальна, а по мере удаления от нее снижается.

4.6.1 Цементация сталей

Цементацией называется процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цель цементации придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (сталь марок 10, 15, 20, А12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например зубья автомобильных зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т.д. Температура цементации 900…970 С. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3…4 мм.

В поверхностном слое содержание углерода составляет 0,8…1,0 %. Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь в смеси с другими компонентами.

Газовую цементацию проводят в атмосфере метана, керосина, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей. Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в тех случаях, когда нужно получить тонкий цементованный слой с высоким содержанием углерода.

Для придания твердости наружному слою производят закалку с температур 820…850 С и низкий отпуск при 150…170 С. После термической обработки твердость поверхностного слоя 60…64 HRC. Чтобы получить заданную структуру и свойства материала сердцевины изделия, проводят нормализацию (880…900 С) и для поверхностного слоя закалку (760…780 С) с низким отпуском.

Газовая цементация наиболее широко применяется в массовом производстве. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного атомарного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода по реакции:

СН4 2Н2 + Сат,

2СО СО2 + Сат.

В качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (метан), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов.

При газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое, сократить длительность процесса, обеспечить возможность полной механизации и автоматизации процесса, проводить закалку непосредственно от температуры цементации.

Содержание углерода в поверхностном слое при данной температуре обычно составляет 1,1…1,2 % и быстро убывает по толщине детали, поэтому после охлаждения структура различна по глубине и твердости.

После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при температуре 160…180 С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разрушению.

4.6.2 Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500…600 С. Образовавшийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, воздействует на сталь и образует с элементами, входящими в ее состав (Cr, Fe, Al и др.), различные нитриды, обладающие высокой твердостью (до 70 HRC). Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400…600 С, в то время как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200…250 С. Толщина азотированного слоя 0,25…0,75 мм. Азотированию подвергают легированные стали, например 35ХМЮА, 18ХГТ, 40ХНМА, 38Х2МЮА и др.

Перед азотированием детали подвергают закалке и высокому отпуску (600…675 С) с целью улучшения их механических свойств. Для ускорения процесса сначала производят азотирование при 500…520 С, а затем при 560…600 С. Повышение температуры ускоряет процесс диффузии и почти не сказывается на твердости поверхностного слоя.

Достоинством процесса азотирования по сравнению с цементацией является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления вследствие низкой температуры нагрева. Азотированные поверхности имеют большую химическую стойкость на воздухе, а также в пресной и соленой воде.

Азотирование в жидких средах производится при температуре 570 С в расплавленных цианистых солях в течение 0,5…3 ч. Общая толщина слоя 150…500 мкм, твердость HV 600…11000. Жидкое азотирование повышает сопротивление износу и предел выносливости. Недостатком его является токсичность и высокая стоимость процесса. Его используют для обработки деталей автомобиля (коленчатые валы, шестерни и т.д.), а также штампов, пресс-форм и др.

4.6.3 Цианирование сталей

Цианированием называют насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых слоях при температуре 820…950 С.

При низкотемпературном цианировании детали нагревают до 820…860 С в расплавленных солях, содержащих NaCN, в течение 0,5…1,5 ч, при этом получают слой толщиной 150…350 мкм. Затем производят закалку непосредственно с температуры цианирования с последующим низкотемпературным отпуском (180…200 С). Твердость после термической обработки составляет 58…62 HRC. Такой обработке обычно подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.

Для получения более толстого слоя (500…2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930…950 С со временем выдержки 1,5…6 ч. После такой обработки детали охлаждают на воздухе, производят закалку и низкотемпературный отпуск.

4.6.4 Нитроцементация

Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота 40 %, водорода 40 % и оксида углерода 20 % при температуре 850…870 С в течение 4…10 ч. Назначение повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160…180 С) твердость поверхностного слоя составляет НRC 58…60 и толщина слоя 0,2…0,8 мм; они зависят от температуры и времени выдержки.

Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.

4.6.5 Борирование

Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей 20, 40, 40Х, 30ХГС и других бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850…950 С в течение 2…6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1…0,2 мм твердость его 1800…2000 HV.

4.6.6 Диффузионная металлизация

Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.

При алитировании, т.е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки Al2O3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2…0,5 мм.

Силицирование, т.е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах, жаростойкость, износостойкость и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности, для вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов. Толщина слоя в пределах 0,3…1,0 мм.

Хромирование процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. Хромируют обычно низкоуглеродистые стали: структура слоя состоит из твердого раствора хрома в -железе и содержит 30…40 % хрома. При хромировании средне- и высокоуглеродистой стали получаемый слой состоит из карбидов хрома (Cr, Fe)7C3 и др. Хромированию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др. При хромировании обеспечивается высокая твердость, износостойкость, стойкость против газовой коррозии до 800 С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.

Цинкование наиболее широко используют в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60 % от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6…36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изготовления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте и др.