Строение и свойства металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Строение и свойства металлов

1.1 Кристаллическое строение металлов

Вещества в обычном состоянии имеют кристаллическое или амфорное строение. В идеальном кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определённом расстоянии друг от друга, в амфорном же (стекле, канифоли), атомы расположены беспорядочно.

У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое.

Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы - многогранники, поэтому их называют кристаллитами, зёрнами или гранулами. При затвердевании атомы металлов образуют кристаллы, которые можно рассматривать как геометрически правильные системы, построенные в виде кристаллических решёток. Порядок расположения атомов в решётке может быть различным. Многие важнейшие металлы образуют решётки, расположение атомов в элементарных ячейках которых представляют форму центрированного куба (б- и в- железо, б- титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба с центрированными гранями (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в- кобальт) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк, б- кобальт).

Для представления кристаллической решётки достаточно знать размещение атомов в элементарной ячейке её.

Элементарная ячейка кубической объёмно-центрированной решётки ограничивается девятью атомами, восемь из которых расположены по вершинам куба, а девятый - в его центре. Повторением этой ячейки путем переносов образуется вся структура кристалла.

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решётки ограничивается 14-ю атомами; 8 из них расположены по вершинам куба и 6 - по граням.

Элементарная ячейка гексагональной решётки ограничена 17 атомами, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, а 2 атома - в центре оснований и 3 - внутри призмы.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоёв (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов.

Электроны внешних оболочек атомов металлов, называются валентными, легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называются свободными. Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.

Таким образом, в узлах решёток находятся положительно заряженные ионы.

Ионы, однако не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение металлов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решётка разрушается.

Реально кристаллы имеют дефекты и их структура отличается от идеальных решёток. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов.

Анизотропность и спайность кристаллов. В отдельных кристаллах свойства различны в различных направлениях. Если взять большой кристалл и вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах отдельных образцов. Например, при испытаниях образцов, вырезанных из кристалла меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10% до 55%, а предел прочности - от 14 до 35 кгс/ для различных образцов. Это свойство называют Анизотропность.

Следствием анизотропности кристаллов является спайность, которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определённом направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называются плоскостями спайности.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью).

Аллотропия металлов (или полиморфизм) - их свойство перестраивать решётку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры, например железо, медь, марганец, никель, олово и т.д. Каждое аллотропическое превращение происходит при определённой температуре.

Структура, имеющая ту или иную решётку, называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами б, в, г и т.д. Аллотропические превращения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизация металлов - образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация).

К вторичной кристаллизации относят превращения в затвердевшем металле при его остывании. Сюда относятся перекристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад (а так же образование) химических соединений.

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Переход из жидкого состояния в твёрдое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решётки, т.е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления. У некоторых металлов степень переохлаждения может оказаться весьма значительной и при температуре переохлаждения сразу бурно начинается кристаллизация, в результате чего температура скачком повышается до температуры плавления.

При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле начинают возникать зародыши кристалла, вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решётку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центра кристаллизации и роста кристаллов.

У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированны случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, т.к. они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллов (зёрен).

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоёмкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и при фазовых превращениях;

к химическим - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность.

к механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;

к технологическим - прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость обрабатываемость резанием.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.

Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности; для некоторых, например алюминиевых, сплавов или титана она выше, чем для стали.

Твердостью называют сопротивление тела деформации и поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.

Упругость - свойство материалов восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформации).

Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность - свойство, обратное упругости.

Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкость - свойство, обратное хрупкости.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность.

Металлы - прочные материалы, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготавливают из металла.

Эксплуатационные свойства. Многие изделия кроме прочности должны обладать ещё особыми свойствами. Например: высокой твёрдостью, упругостью и режущей способностью.

Физические свойства. Способность плавиться при нагревании. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что способны плавиться в горячей воде. Металлы с высокой электропроводностью и магнитные свойства металлов используются в электромашиностроении.

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, пайки, сварки и т.п.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю. Такие сплавы применяют для изготовления точных приборов.

Химические свойства - коррозийная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химическиактивных средах. Для изделий которые должны обладать высокой коррозийной стойкостью, производят специальные нержавеющие, кислотостойкие и жароупорные стали и сплавы. Применяют так же защитное покрытие.

Технологические свойства - имеют очень важное значение при различных видах обработки.

Важнейшие механические и физические свойства металлов приведены в таблице 2.

1.2 Механические испытания

Механические испытания имеют важнейшее. Детали машин, механизмов и сооружений работают под различного вида нагрузками. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твёрдость, статическое растяжение, динамические испытания.

Статическими называют такие испытания при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.

Динамическими называют испытания, при которых испытуемый металл подвергается воздействию удара или силы. Возрастающей весьма быстро.

Кроме того, проводят испытания на усталость, ползучесть и износ.

Испытание на растяжение. Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ испытаний металлов. В этих испытаниях по сечению образца создаётся однородное напряжённое состояние и материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

В этих испытаниях по сечению образца создаётся однородное напряжённое состояние и материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские для листовых материалов. Образцы состоят из рабочей части и головок, которые закрепляют в захватах разрывной машины. Все разрывные машины имеют два механизма: нагружающий и силоизмерительный и снабжены диаграммным устройством, автоматически записывающим диаграмму растяжения.

Растягивающее устройство создаёт напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превзойдёт прочность образца, он разорвётся.

Зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорциональности.

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности. Образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течёт. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация образца, называется физическим пределом текучести ут определяется по формуле:

ут = Рс /Fo.

где Рс - нагрузка.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожжённой стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести на диаграмме растяжения. Для таких металлов определяет условный предел текучести равном 0,2%. Напряжение при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% свой расчётной длины, называется условным пределом текучести - у0,2

у0,2 = Р0,2 /F0

Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении и определяется по формуле:

ув = РD /F0

где PD - нагрузка в определённой точке.

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение д и относительное сужение площади поперечного сечения ш в процентах.

Относительное удлинение определяют по формуле:

д = ,

где й1 - длина образца после разрыва, мм; й0 - расчётная длина образца, мм.

Относительное сужение (%) определяют по формуле:

Ш = ,

где F0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;

F1 - площадь в месте разрыва, мм2.

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки к нулю; у пластичных, они достигают нескольких десятков процентов (см. таблицу 2.)

Определение твёрдости - производится быстро и не требует сложных образцов. Поэтому испытания на твёрдость широко применяют на практике.

По методу Бринелля стальной закалённый шарик диметром D (10; 5; 2,5мм) вдавливают в испытуемый образец силой Р.

р

D

d

Рисунок 1

В результате на поверхности образца остаётся отпечаток в форме шарового сегмента диаметром d (см. рисунок 1). Величина отпечатка будет тем меньше, чем твёрже металл. Твёрдость по Бринеллю вычисляют по формуле:

HB = P/F

Где P - нагрузка на шарик, H - (кгс); F - величина поверхности отпечатка, мм2. В таблице 2 приведена твердость по Бринеллю для некоторых металлов.

Для испытания на твёрдость по методу Бринелля применяют рычажные прессы. По методу Бринелля можно испытывать материалы с твёрдость НВ до 450 кгс/мм2, если твёрже металл, то шарик может деформироваться.

По методу Роквелла испытания на твердость производиться путем вдавливания в образец стального шарика диаметром D = 1,58мм или алмазного конуса с углом 120°. Этот метод используют для испытания твердых металлов при нагрузке 1471Н (150кгс). Образец помещают на столик прибора Роквелла и вращением маховика поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом. Вращение продолжают до тех пор, пока давление конуса на образец не станет 98 Н (10кгс), что показывает малая стрелка индикатора. Далее дают основную нагрузку. Вдавливание длиться 5 - 6 с, затем основная нагрузка снимается и большая стрелка индикатора показывает величину твердости. Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В - для испытания стальным шариком и черную С - для испытания алмазным конусом. Твердость по Роквеллу считается величиной условной. Число твердости по Роквеллу обозначают HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание. Например- HRB или HRC.

Метод Виккерса позволяет измерить твердость как очень твердых так и мягких металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).

По этому методу в образец вдавливают четырёхгранную алмазную пирамиду с углом на вершине 136°. Нагрузка применятся от 49 до 1170 Н (от 5 до 120кгс). Замер отпечатка по диагонали производится при помощи микроскопа.

Число твердости определяют по формуле:

HV = P/d2

Где Р - нагрузка; Н (кгс); d - длинна диагонали опечатка в мм.

Практическая величина HV берется из таблиц.

Прочие испытания: Испытания на ударный изгиб. Если любая деталь машины, механизма подвергается ударным нагрузкам, то металл из которого изготавливают такие детали подвергают динамическим испытаниям. Такими металлами являются, чугун, стали с крупнозернистыми структурами.

Испытания на усталость: Детали машин (коленвалы, шатуны и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких напряжениях металл из вязкого состояния постепенно переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.

Технологические испытания наиболее простые. Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом или применять его в тех или иных условиях.

Испытания на выдавливание служат для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применятся для оценки качества полосового и листового материалов толщиной до 5мм, так же проволоки и прутков.

Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Испытывают на осадку, например, металлы для болтов и заклепок.

Испытание на искру. При обработке сталей шлифовальными кругами отбрасываемая ими стружка горит на воздухе искрами. Обилие искр, их характер и цвет зависит от химического состава стали. Цвет искр колеблется от ослепительно- белого до темно- красного. Например: мягкая углеродистая сталь дает соломенно-жёлтый пучок искр, твердая углеродистая - ослепительно-белый с рассыпающимися искрами, марганцевая сталь - темно-желтый, быстрорежущая - темно-красный. При известном навыке можно по искрам судить приблизительно о химическом составе стали.

2. Диаграммы состояния системы железо - углерод

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (приложение 1), на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита). Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит (Ф) твёрдый раствор внедрения углерода в бFe кристаллическая решётка ОЦК, может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация в-Fe и низкотемпературная - бFe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в в- и б-железе.

Предельное содержание углерода в бFe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,008%. Низкотемпературный феррит бFe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:

s = 250 МПа;

d =50%;

y= 80%;

твердость - 80...90 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в г-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160...200 НВ.

Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% углерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его на растяжение очень мала (s =40 МПа).

В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Ледебурит является механической смесью аустенита и цементита, образующихся при 1147°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь Fe + Fе3С (в легированных сталях -карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):

s=800...900 МПа;

d< 16%; НВ 180..,220.

Диаграмма состояния Fe - Fе3С является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1147°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь ледебурит ЖС(4.47%C) AE(2.14%C)+ЦF(6.67%C), Ж4.3 Л4.3(ледобурит)

Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита AGSФGP, а по линии SE АESЦII.вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

Линия PQ при охлаждении отвечает температурам начала выделения из феррита цементита третичного в результате уменьшения растворимости С в феррите с понижением температуры при нагреве обратный процесс

ФPQ ЦIII.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадающегося аустенита, а в области диаграммы SE - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 727°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита

AS(0.8%C) ФP(0.02%C)+ЦК(0,67%С)

А(0.8) П(0.8)перлит

В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе3С, обозначенная на графике пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

0,83 - эвтектоидные стали;

0,83...2 - заэвтектоидные стали;

2...4,3 - доэвтектические чугуны;

4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.



Рис. 2

Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами.

Доэвтектоидная сталь (0.7%C) отмечаем заданный спав вертикалью I на диаграмме состояния и строим кривую нагрева.

По кривой нагрева мы можем определить какие изменения происходят в сплаве при нагреве до определенной температуры 1600°С. До точки 1 сплав находится в жидком состоянии при 1490°С из жидкого состояния начинают выделяться кристаллы аустенита состава 1

По мере охлаждения в интервале температур 1-2 происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которых определяется по линии солидус от точки 1'до точки 2

Жидкая фаза обогащается углеродом концентрация которого меняется по линии ликвидус от 1 до 2, формула Ж12 А12. В точке 2 заканчивается первичная кристаллизация и сплав имеет однофазную структуру А аустенит, при понижении температуры до точки 3 начинается вторичная кристаллизация аустенит превращается в феррит по формуле А+Ф34Ф+П при достижении точки 9 состав смеси Ф+П примет эвтектоидную концентрацию точки (S 0.8%C), и при постоянной температуре будет превращаться в феррит+перлит площадка на кривой. Концентрация фаз Ж2.14+А0.6 ОВКЖ=0.7-0,6/2,14-0,6·100=6,94% овкА=2,14-0,7/2,14-0,6·100=93,5% концентрация углерода в жидкой фазе при температуре 1400?С 2,14% С, твердой фазе 0,6% С.

2.1 Углеродистые стали

По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки - серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор - при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ? 0,25%), средне- (0,25 < С ? 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний - более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ? 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ? 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных - каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных - не более 0,025%.

По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 - Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы - А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В - химический состав и механические свойства.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная. Например, сталь Ст2кп - сталь группы А, кипящая; БСт3пс - сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп - сталь группы В, спокойная.

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрами, которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9% углерода.

Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре. Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей - в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т - титан, С - кремний, Г - марганец, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам и т.п. Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%. Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш -шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 - с содержанием хрома ? 1,5%), Э - электротехническая и т.д. Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток - большая плотность и, как следствие, небольшая удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей для подобных целей дорого.Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно- (рис. 3, а) и неравнобоких уголков (рис. 1, б), двутавров (рис. 2, в), швеллеров (рис. 3, г) и других видов профилей разных размеров, оговоренных стандартами.

Рис. 3

Чугуны

Это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения - на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава - на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств - высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием - белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ - серый чугун, ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ).

Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм2) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет уut = 18 кгс/мм2 = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм2) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 - высокопрочный чугун с уut = = 600МПа и д = 2%.

3. Термическая и химико-термическая обработка стали

3.1 Основы теории термической обработки

Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава.

Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура - время (рис. 4). Параметрами процесса термической обработки являются максимальная температура нагрева (t max) сплава; время выдержки (ф k) сплава при температуре нагрева; скорость нагрева (Vн) и охлаждения (Vo). На практике обычно подсчитывают среднюю скорость нагрева или охлаждения. Она равна максимальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т. е. Vн.ср = t max / ф н и

Vо.cp = t max / ф o.

Рис. 4 - График термической обработки

По классификации Бочара А.А. различают четыре основных вида термической обработки:1) отжиг 1 рода; 2) отжиг 2 рода; 3) закалка; 4) отпуск.

Отжиг и нормализация.

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 5): 1 - диффузионный; 2 -- полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

Рис. 5 - Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) - применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10- 20 ч (рис. 6, кривая 1).

Полный отжиг (рис. 6, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30 - 50°С выше верхней критической точки Ас3 и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас3 перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас3 (на 30 - 50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ac1, образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния, а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас3, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Неполный отжиг (рис. 6, кривая 4) обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас 1 на 30 - 50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием. Поскольку температура нагрева требуется меньшая, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и теплоты, что обеспечивает экономичность процесса.

Неполному отжигу подвергают высокоуглеродистые заэвтектоидные стали и стали инструментальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг (рис. 6. кривая 3) отличается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную-смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры.

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30 - 50°С выше точки Ас3 (конструкционные стали) и выше точки Ac1 на 50 - 100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Ar1 (680-700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2 - 3 раза по сравнению с полным отжигом. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг (рис.6,кривая5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием.

Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ac1 с последующим охлаждением сначала до 700°С. затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65 % углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 6, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.

При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.

Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас 1 (650 - 700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650 - 700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас3 к А см, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.

С повышением содержания углерода в стали увеличивается различие в свойствах между отожженной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2 % углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3 - 0,4 % углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализация не всегда может заменить отжиг.

Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла.

При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина - химическое соединение металла с кислородом. С повышением температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность в деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет и обработку металла режущим инструментом.

Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах.

Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление (поводку детали).

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вводят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой - отжигом или нормализацией.

Пережог получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает в глубь нагреваемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пережог является неисправимым браком.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском. Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.

При закалке стали коробление деталей может происходить и без. значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения.

Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, так как он в несколько раз снижает его стойкость.

Окисление и обезуглероживание поверхности изделия предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне).

Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.

Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а так же недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.

Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже, критической точки Ас 3 (для доэвтектоидных сталей) и Ас 1 (заэвтектоидных сталей). Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закаливают.

Термомеханическая обработка (ТМО) - новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки - высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).

Химико-термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностый слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико- термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава, поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их малая производительность.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Химико-термическая обработка состоит из трех процессов: диссоциации - получения насыщающего элемента в активном атомарном состоянии: 2 NH3 = 2N + 3H 2; СН 4 = С + 2Н и т. д.; абсорбции - поглощения активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии - перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.