Построение металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На сегодняшний день мы не можем представить современный мир без металлообработки, которая именно сегодня совершенствуется и развивается активными темпами в плане своей модернизации. Надо отметить, что история металлообработки очень насыщенная и уходит своими корнями вглубь веков. Сначала человек использовал для различных целей самородные металлы - золото, серебро, медь. Потом научился получать металлы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (твердого и прочного сплава бронзы с оловом, а позднее с другими элементами) открыло новую эпоху развития материальной культуры, называемую бронзовым веком. Позже была основана выплавка железа. Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которую загружали измельченную железную руду и древесный уголь. При горении древесного угля руда превращалась в сыродутное железо. Его извлекали из горна в виде комков (железных криц) и подвергали ковке. К XIII - XIV в.в. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами - домницами. В них развивались более высокие температуры и железо насыщалось углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл - чугун. Постепенно форму домницы изменяли, а ее размеры увеличивали. Ее стали называть доменной печью, которая до сих пор считается основным агрегатом для производства чугуна. Примерно в середине XIV в. научились перерабатывать хрупкий чугун в очень прочный и ковкий металл - сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в кричных горнах. Позднее кричный процесс сменили более совершенные переработки чугуна в сталь - пудлинговый, бессемеровский, томасовский и мартеновский. Последние три способа, а также электроплавка находят широкое применение в современном сталеплавильном производстве. Основным направлением научно - технического прогресса в сталепрокатном производстве является кислородно - конвекторный способ производства стали.

Существенную роль в развитии отечественной металлургии чугуна и стали сыграли работы Ломоносова М.В., Павлова М.А., Байкова А.А., Бардина И.П. и многих других. Наши соотечественники Аносов П.П., Чернов Д.К. в XIX в. заложили основы металлографии - наука о строении металлов и сплавов.

В настоящее время металлография и смежные ей науки содержат глубокие знания о строении металлов и сплавов и природе внутренних связей в них. На основе этих данных разработаны термической (тепловой) обработки металлов и сплавов, изменяющей их физические и механические свойства в нужном направлении. Одновременно с развитием и усовершенствованием методов получения черных и цветных металлов развивалось технология их обработки. К основным технологическим обработкам металлов является литейное производство, обработка давлением (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка), сварка и огневую резка, термическая обработка и обработка резаньем (механическая обработка) и различные виды электрохимических, электрофизических способов размерной обработки металлов.

В настоящее время большинство отраслей промышленности и строительства невозможно представить без использования металла. Именно металл позволяет возводить высокие здания, создавать автомобили, поезда и иные транспортные средства. Металл делает нашу жизнь удобной и комфортабельной.

кристаллизация дендрит термомеханический сталь

1. Атомная кристаллизация построения металла

Вещество в твердом состоянии может иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе, например стекле, атомы расположены беспорядочно, а в кристаллическом -- по геометрически правильной схеме, на определенном расстоянии друг от друга.

Общим свойством металлов и сплавов является их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а с одной элементарной ячейкой.

Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла.

Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов: кубическая объемно-центрированная или сокращенно ОЦК (свинец, вольфрам) 9 атомов; кубическая гранецентрированная (ГЦК) (серебро, золото) 14 атомов; гексагональная плотно-упакованная (ГПУ) (магний, цинк).

Решетки ГЦК и ГПУ более компактны, чем ОЦК.



Рис. 1 Основные типы кристаллических решеток: а - объемно-центрированная кубическая; б- гранецентрированная кубическая; в - гексагональная плотноупакованная

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Известны полиморфные превращения железа, титана и других элементов.

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняется форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. б,в,г,д -обозначение полиморфных превращений (модификации). Тб (титан б)- Тв (титан в) при температуре 882єС.

Полиморфные превращения сопровождаются скачкообразными изменениями свойств Ме: удельный объем, теплопроводность, электрическая проводимость, механические свойства, физические свойства. При температурах ниже 911 °С устойчиво Feб, имеющее кристаллическую решетку ОЦК. Выше 911 °С до 1392 °С устойчиво Feг, имеющее решетку ГЦК. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

Кратчайшее расстояние между центрами атомов в кристаллической решетке называется параметром решетки (а). Параметры измеряют в ангетремах (А) или килоиксах (КХ)

1А = 1*10-8 см

1 КХ = 1,00202А

Параметры решетки соизмеримы с радиусом атомов. Например, у Fe а=2,8608А, Rат=1,26А,у Fe а=3,649А, Rат=1,29А

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различаем плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов -одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (чем меньше кристаллы, тем выше твердость, больше твердость, меньше пластичность). Анизотропностью пользуются для изменения электрических свойств стали. Холодной прокаткой добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении, благодаря чему достигают значительного снижения потерь в трансформаторной стали. Путем создания анизотропии можно добиться увеличения упругости в определенном направлении.

2. Кристаллизация

Кристаллизацией называется процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации жидкого металла состоит из двух стадий: а) образования зародышей, или центров кристаллизации; б) роста кристаллов.

Рост кристаллов заключается в том, что к зародышам присоединяются все новые атомы из жидкого металла. В начале кристаллизации кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Но это происходит только до момента встречи растущих металлов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается, и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называются кристаллитами, или зернами. Металл имеет мелкозернистое или крупнозернистое строение.

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов будет образоваться в данном и каждый кристалл (зерно) будет меньше. На образовании центров кристаллизации влияет скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации и зерна получатся мельче. Наиболее прогрессивным методом получения мелкого зерна при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Форма растущих кристаллов определяется составом сплавов, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования металлов носит название дендритный характер.

Рис. 2 Схема дендрита по Чернову Д.К.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в направлениях, где скорость теплоотвода максимальна. В этих направлениях образуется как бы ствол будущего кристалла, так называемая ось (ветвь) первого порядка. На рис. показан рост, который происходит путем кристаллизации новых атомных слоев из жидкости. От осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси - второго порядка, от ветвей второго порядка растут ветви третьего порядка и т. д.

Построение кривых нагрева и охлаждения металлов.

Строятся в координатах температура - время. На участке 1 - 2 происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 - 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т.к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3 - 4.

При охлаждении (4 - 5) на горизонтальном участке 5 - 6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления Тпл, а при некотором переохлаждении D t, величина которая зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.

. Переход металлов из жидкого состояния в твердое не всегда является конечным процессом в образовании их структуры. Во многих случаях происходит вторичная кристаллизация, т. е. изменение внутреннего строения в твердом состоянии.

Вторичная кристаллизация заключается в том, что при определенной для данного металла или сплава температуре происходит перегруппировка атомов и образование нового кристаллического строения.

Явления вторичной кристаллизации имеют большое значение, так как сопровождаются появлением новых свойств металла или сплава. В частности, изменение свойств стали при термической обработке объясняется изменениями структуры в твердом состоянии.

3. Основы теории сплавов

Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами.

Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами. В жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге.

При понижении температуры и кристаллизации из жидкой фазы выделяются твердые фазы, которые могут быть твердыми растворами либо чистыми компонентами. Твердые растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания.

Твердыми растворами замещения называют фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта. Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными). Образование неограниченных твердых растворов возможно в тех случаях, когда размеры атомов близки, кристаллические решетки компонентов одинаковы (изоморфны) и строение валентных электронных оболочек подобно.

Когда кристаллические решетки не одинаковы или размеры атомов отличаются более чем на 6%, твердые растворы являются ограниченными. При разнице размеров атомов более чем 12% компоненты не растворяются друг в друге.

Твердыми растворами внедрения называют фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между атомами второго компонента ? растворителя. Твердые растворы внедрения всегда ограниченны.

Твердыми растворами вычитания называют фазы на основе химических соединений. В кристаллических решетках таких сплавов часть узлов не занята атомами того или иного сорта, то есть часть атомов как бы вычтена из кристаллической решетки, и вместо них в решетке остаются вакансии.

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Химические соединения обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.

Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а так же между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриты, оксиды, фосфиды и т.д.) получили в технике самостоятельное применение.

Механические смеси образуются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых графическое изображение всех превращений, протекающих в сплавах в зависимости от компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д.

Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия, представляют собой температуры и концентрации компонентов. То есть, диаграмма строится в координатах концентрация - температура. Превращения в сплавах при нагреве или охлаждении зависят от того, какие фазы при этом образуются. Так, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, а жидкий сплав и находящиеся в нем кристаллы или смесь кристаллов двух видов - двухфазную систему.

Диаграмма состояний сплавов железо-углерод -- графическое отображение состояний сплавов железа с углеродом. Диаграмма железо -- углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму -- по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерод.

Часть диаграммы состояния сплавов железо-углерод

В системе железо -- углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза -в жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит -- твердый раствор внедрения углерода в б-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную -- 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную -- 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость -- 130 НВ) и пластичен, магнитен до 768 °C.

3. Аустенит (г) -- твердый раствор внедрения углерода в г-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную -- 0,8 % при температуре 727 °C (точка S), максимальную -- 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твердость 200-250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении -- вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

4. Цементит (Fe3C) -- химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода; ферромагнитен до температуры 210єС, имеет высокую твердость и хрупкость. Температура плавления ? 1600єС. Он метастабилен и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита.

Термическая (тепловая) обработка стали служит для изменения в определенных пределах прочности, твердости, вязкости, упругости, износостойкости и других свойств стального изделия. Большинство термических процессов не меняет химического состава стали. Исключением являются процессы химико-термической обработки, которые изменяют химический состав поверхностных слоев.

Способами термической обработки без изменения химического состава металла являются нормализация, отжиг, закалка и отпуск.

Нормализация применяется для того, чтобы перевести структуру стали в однородное состояние, ликвидировать крупнозернистую структуру, которую имеет сталь в литом или кованном состоянии. Нормализация заключается в нагреве до температуры, при которой углерод полностью растворяется в железе, и охлаждении на воздухе. Нормализованная сталь имеет более высокие, чем в литом состоянии, показатели по вязкости и более низкую твердость, что создает хорошие условия для обработки резанием. Нормализацию применяют для выравнивания внутренних напряжений в отливках, поковках и сварных соединениях.

Отжигом называют процесс, при котором производят нагрев выше температуры полного растворения углерода в железе, выдержку при этой температуре и затем медленное охлаждение до комнатной температуры. Отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием и для повышения пластичности и вязкости.

Закалкой называют процесс термической обработки, состоящий из нагрева выше точки полного растворения углерода в железе, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего быстрого охлаждения (в воде, в масле и других средах). Скорость нагрева, длительность выдержки и охлаждающая среда при закалке применяются в зависимости от химического состава стали, величины и массы изделия, типа печи и т. д. Для получения детали с вязкой сердцевиной и твердой рабочей поверхностью применяют поверхностную закалку.

Отпуск состоит из нагрева закаленной стали ниже температуры начала растворения углерода в железе, выдержки и последующего быстрого или медленного охлаждения. Выбор температуры отпуска зависит от назначения изделий. Скорость охлаждения после отпуска для простой углеродистой стали не имеет значения, но специальные стали, например хромоникелевые, во избежание получения низких механических свойств (особенно ударной вязкости) необходимо охлаждать быстро.

4. Химико-термическая обработка стали

Основными методами упрочнения поверхности деталей являются химико-термическая обработка, поверхностная закалка и деформирование поверхности в холодном состоянии (поверхностный наклеп).

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхности детали каким-либо элементом с последующей термической обработкой. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки цементация (насыщение поверхности углеродом) и азотирование (насыщение поверхности азотом).

Цементация проводится с целью получения высокой твердости и износоустойчивости поверхности при сохранении более мягкой и вязкой сердцевины детали. Поэтому цементации всегда подвергают малоуглеродистые стали (0,2%С) или легированные с низким углеродом. Наиболее распространенные детали подвергаемые цементации - зубчатые колеса.

Вещество, поставляющее углерод при цементации, называют карбюризатором. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (коксик или древесный уголь с добавлением до 30% соды - Na2CO3) и в газовом (СО).

Детали выдерживают в карбюризаторе от 6 до 12 часов (в зависимости от требуемой толщины не углероженного слоя 2-4мм) при температуре 900-9500 (в аустенитной области). При этом содержание углерода в поверхностных слоях повышается до 1-1,2%.

Толщину неуглероженного слоя контролируют по специальному образцу-свидетелю, который проходит цементацию вместе с деталями.

После цементации детали подвергают термической обработке. Наиболее часто применяю закалку с низким отпуском. Вариант с двумя закалками делают для ответственных деталей (первая закалка от температуры 9000 для измельчения зерна и устранения сетки цементита в поверхностном слое, вторая от 760-7900 для получения оптимальной твердости поверхности).

Азотирование проводится в атмосфере аммиака, который разлагаясь при температуре 500-5500 поставляет активный атомарный азот диффундирующий в поверхность детали. В отличии от цементации высокая твердость азотированной поверхности получается не за счет мартенсита, а за счет очень твердых нитридов. Поэтому для азотирования берут среднеуглеродистые стали содержащие сильные нитридообразующие элементы (Al, Cr, Mo). Классическая сталь для азотируемых деталей 38ХМЮА. Продолжительность азотирования составляет до 48 часов, толщина слоя 0,2-0,5 мм.

Азотирование является окончательной обработкой готовых деталей, никакой термической обработки после азотирования не проводят.

В результате азотирования достигается высокая твердость и износоустойчивость поверхности, повышается сопротивление возникновению трещин при знакопеременных нагрузках (усталостная прочность) и коррозионная стойкость.

Диффузионная металлизация (диффузионное насыщение металлами) - называют поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относится высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.

В последние годы насыщение металлами (например, хромом) производится путем испарения диффундирующего элемента в вакууме. Ниже дана характеристика наиболее часто применяемых процессов диффузионной металлизации.

Алитированием называют насыщение поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкостью (до 850 - 900 ?С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al2О3, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в б-железе (рис. ,а). концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ?30%. Толщина слоя 0,2 - 1,0 мм. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до HV 500, износостойкость низкая.



Рис. 4 Микроструктура диффузионных слоев (х 250): а - алитированный слой на железе (б-фаза); б - хромированный слой на железе (б-фаза); в - хромированный слой на стали, содержащей 0,45% С, состоящий из карбида (Fe, Cr)?C3; г - силицированный слой на стали, содержащей 0,4% С (б-фаза); д - борированный слой на стали, содержащей 0,8% С (FeB и Fe2 B)

Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

Хромированием называют процесс насыщения поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) - до 800 ?С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 - 0,4% С, повышает также твердость и износостойкость.

Силицированием называют - насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа.

5. Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка стали заключается в сочетании механической обработки давлением (прокатки, штамповки) с термической обработкой (закалкой). Это позволяет повысить прочность стали как в результате наклепа, который получается при пластической деформации, так и вследствие закалки. Благодаря этому при термомеханической обработке удается достичь более высокого упрочнения, чем при обычной закалке. Существует два основных способа термомеханической обработки.

1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Она заключается в том, что непосредственно после горячей обработки давлением (прокатки, штамповки), когда сталь имеет температуру выше Ас3 и аустенитную структуру, проводится резкое охлаждение-- закалка. За короткое время между окончанием прокатки (или штамповки) и закалкой рекристаллизация не успевает произойти. В связи с этим наклеп и упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в стали после ее остывания. После закалки к этому добавляется еще упрочнение вследствие образования твердой мартенситной структуры. Мартенсит, образующийся в этих условиях, кроме своих дислокаций как бы наследует дислокации, возникшие при наклепе. Чем короче промежуток времени между окончанием прокатки и закалкой, когда сталь имеет высокую температуру, тем больше сохранится дислокаций и тем больше будет эффект упрочнения. Практически, этот отрезок времени составляет несколько секунд, в течение которых частично происходит рекристаллизация, что снижает эффект упрочнения. Это один из главных недостатков способа ВТМО.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Сталь нагревают до аустенитного состояния, а затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. в температурном интервале примерно 400--600°С. В этом интервале, в котором еще сохраняется аустенитная структура, производится деформация стали, например штамповка. Деформация вызывает наклеп аустенита, рекристаллизации же в этих условиях не происходит. Затем проводится закалка: образуется мартенсит, который, как и в предыдущем способе, наследует дислокации, а значит и упрочнение, полученное при деформации. Здесь устранен недостаток первого способа, так как рекристаллизация практически отсутствует, и потому наиболее полно используется эффект упрочнения от наклепа. Однако технологически этот способ сложнее, так как трудно осуществлять обработку давлением в таком узком интервале температур.

Классификация и маркировка сталей, чугунов и различных сплавов

Каждому инженеру совершенно необходимо знать классификацию и маркировку материалов, предназначенных для изготовления деталей машин и конструкций. К числу таких материалов относятся металлы и их сплавы, металлические и металлокерамические порошки пластмассы, резина, стекло, керамика, древесные и др. неметаллические вещества.

Классификация и маркировка сталей

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы).

Стали, классифицируют по самым различным признакам.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72,ГОСТ 14959-79).

Состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-94)

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерода	марганца	кремния
Ст0	Не более 0,23	-	-
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст1пс	0,06-0,12	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст1сп	0,06-0,12	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст2кп	0,09-0,15	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст2пс	0,09-0,15	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст2сп	0,09-0,15	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05
Ст3пс	0,14-0,22	0,40-0,65	0,05-0,15
Ст3сп	0,14-0,22	0,40-0,65	0,15-0,30
Ст3Гпс	0,14-0,22	0,80-1,10	Не более 0,15
Ст3Гсп	0,14-0,20	0,80-1,10	0,15-0,30
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05
Ст4пс	0,18-0,27	0,40-0,70	0,05-0,15
Ст4сп	0,18-0,27	0,40-0,70	0,15-0,30
Ст5пс	0,28-0,37	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст5сп	0,28-0,37	0,50-0,80	0,15-0,30
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст6сп	0,38-0,49	0,50-0,80	0,15-0,30

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

а) малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;

б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%

в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%

Легированные стали подразделяют на:

а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%

б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

По назначению стали бывают:

1) конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

2) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

3) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

4) с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:

1) стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.

2) качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3) высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.

4) особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

1) спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);

2) кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на три группы:

1) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

2) сталь группы Б - по химическому составу;

3) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести , изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например:

Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

Качественные стали маркируют следующим образом:

1) в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;

а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;

05кп - сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С;

60 - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;

б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У":

У7 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая

0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);

У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;

2) легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:

А - азот К - кобальт Т - титан Б - ниобий М - молибден Ф- ванадий

В - вольфрам Н - никель Х - хром Г - марганец

П - фосфор Ц - цирконий Д - медь Р - бор Ю - алюминий

Е - селен С - кремний Ч - редкоземельные металлы

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

Примеры:

14Г2 - низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.

03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особовысококачественные стали.

Маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву "Ш".

Например:

У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь, содержащая 0,8% углерода;

30ХГС-III - особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:

ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама:

Р18-быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама;

Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобольта.

Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента:

А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода (все автоматные

стали имеют повышенное содержание серы и фосфора);

А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.

Классификация и маркировка чугунов.

Чугун -- сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун -- важнейший первичный продукт чёрной металлургии, используемый для передела при производстве стали и во вторичной плавке в чугунолитейном производстве.

Чугун вторичной плавки -- один из основных конструкционных материалов, применяется как литейный сплав. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали). В современном машиностроении на долю деталей из чугуна приходится около 75% от общей массы отливок. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

1) белый чугун - углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

2) серый чугун - весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;

3) половинчатый - часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

Диаграмма состояния железо - графит.

В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.

Диаграмма состояния железо - графит показана штриховыми линиями на рис. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо - цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153oС и 738oС. Точки C, E, S - сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.



Рис. 6 Диаграмма состояния железо - углерод: сплошные линии - цементитная система; пунктирные - графитная

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо - цементит является метастабильной, а диаграмма железо - графит - стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

Процесс графитизации.

Графит - это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100% углерода, а цементит - 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.

С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более стабильной фазой, чем цементит.

Возможны два пути образования графита в чугуне:

1) при благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы;

1) при разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738oС цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме

.

При температурах ниже 738oС разложение цементита осуществляется по схеме:

.

При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше. Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.

Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.

Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.



Рис. 6 Схема образования структур при графитизации

Выдержка при температуре больше 738oС приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения - из перлита и графита.

При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738oС структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры - из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую точку превращения аустенита в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса - из перлита, феррита и графита.

Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов.

Из рассмотрения структур чугунов можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали или технического железа. Отличаются от стали только наличием графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый - с пластинчатым графитом; высокопрочный - с шаровидным графитом; ковкий - с хлопьевидным графитом.

Рис. 7 Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Влияние состава чугуна на процесс графитизации.

Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено - 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание - 0,3…0,8 %.

Влияние графита на механические свойства отливок.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение () дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких - до 10 %, для высокопрочных - до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Положительные стороны наличия графита:

1) графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;

2) чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

3) из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

4) детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);

5) чугун значительно дешевле стали;

6) производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

Серый чугун.

Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412-85).

Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода - 3,2…3,5 %; кремния - 1,9…2,5 %; марганца -0,5…0,8 %; фосфора - 0,1…0,3 %; серы - < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это - базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на СЧ 15.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести,

,

что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность,

,

при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода - 3,2…3,8 %, кремния - 1,9…2,6 %, марганца - 0,6…0,8 %, фосфора - до 0,12 %, серы - до 0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка - около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.

Ковкий чугун.

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерода - 2,4…3,0 %, кремния - 0,8…1,4 %, марганца - 0,3…1,0 %, фосфора - до 0,2 %, серы - до 0,1 %.

Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига.

Рис. 8 Отжиг ковкого чугуна

Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: .

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 - 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 - 3) основой (ГОСТ 1215-85).

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе - относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

Отбеленные и другие чугуны.

Отбеленные - отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.

В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния -0,5…0,8 %.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.