Основы стандартизации материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 1. Классификация материалов. Основы стандартизации материалов

Все материалы условно делят на металлические и неметаллические. При этом свойства металлов могут существенно отличаться друг от друга. Очень сильно отличаются отдельные металлы друг от друга по температурам плавления, по способностям вступать в химические реакции с другими элементами, а так же с водой и кислородом воздуха, по механическим свойствам, что обуславливает возможность их использования в качестве конструкционного материала для изготовления различных изделий, по электрическим и магнитным свойствам, что очень важно для радио- и электротехники. металл промышленный сплав легирование

По некоторым признакам все металлы, используемые в технике, можно объединить в некоторые группы. Прежде всего все металлы и полученные на их основе сплавы условно делят на черные и цветные.

К черным металлам относят железо и его сплавы - стали и чугуны. Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

· Черные металлы являются основными конструкционными машиностроительными материалами (94%). Черные металлы имеют относительно высокую механическую прочность, твердость, плотность и сравнительно невысокую стоимость.

· Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску - красную, желтую, белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой либо высокой (например, тантал, вольфрам) температурами плавления. Наиболее типичными металлами этой группы являются медь, алюминий, хром, никель, цинк, марганец, титан и другие элементы. Цветные металлы принято делить на легкие с плотностью до 3 г/см3 и тяжелые. К легким металлам относят бериллий, магний и алюминий. Медь, никель, олово, свинец, молибден относят к тяжелым металлам.

· Выделяют также группу благородных и редких металлов. Благородными считаются золото, серебро, металлы платиновой группы - платина, палладий, иридий, осмий, рутений. Важнейшими отраслями применения редких элементов являются главным образом ядерная энергетика, ракетная техника, радиоэлектроника.

Из группы цветных металлов выделяют

· Легкоплавкие - цинк, кадмий, олово, свинец, висмут, сурьму и др. Используются для приготовления припоев различных составов и назначения.

· Тугоплавкие - титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам и др. Их используют в качестве добавок к сталям для улучшения некоторых качественных характеристик.

В технике применяемые материалы принято классифицировать также по их назначению. Различают материалы конструкционные, инструментальные, электротехнические, антифрикционные, рабочие тела и технологические материалы.

Конструкционные материалы должны обладать комплексом свойств, обуславливающих возможность использовать их для изготовления различных изделий, подвергаемых как механическому нагружению, так и иным воздействиям (высоких температур, агрессивных сред и т.п.). Должны иметь наименьшую трудоемкость изготовления деталей и конструкций из этих материалов, желательно невысокую стоимость и быть доступными. В качестве конструкционных материалов используются металлы и сплавы, полимеры, резины, древесина, многие композиционные материалы.

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, прочности и износоустойчивости при нормальных и при более высоких температурах и нагрузках. Эти материалы предназначены для изготовления режущего, измерительного, слесарно-монтажного и др. инструмента. К этим материалам относятся инструментальные стали, твердые сплавы, некоторые виды керамических материалов, природные минералы, многие композиционные материалы и некоторые сверхтвердые синтетические материалы.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, используемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. К ним относятся проводники, полупроводники, материалы с особыми магнитными свойствами, а также диэлектрики в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).

Антифрикционные материалы предназначены для применения в подшипниковых узлах с целью обеспечения по возможности наименьшей скорости изнашивания сопряженной детали - стального вала. Основными критериями для оценки подшипниковых материалов служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики. К этим материалам относятся некоторые цветные металлы (баббиты, бронзы), серые чугуны, многие пластмассы и композиционные материалы на их основе, некоторые виды древесины и древесно-слоистых пластиков, а также металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), резины и другие материалы.

Рабочие тела представляют собой газообразные или жидкие материалы, с помощью которых происходит передача или преобразование энергии. Например, водяной пар служит рабочим телом в паровых машинах и турбинах; фреон, аммиак, углекислота в холодильных установках; воздух в пневматических двигателях; газообразные продукты сгорания органического топлива (бензина, соляра) в двигателях внутреннего сгорания и т.п. В ракетной технике рабочим телом принято считать ракетное топливо.

Технологические материалы - это вспомогательные материалы, которые используются для нормального протекания технологических процессов изготовления деталей машин или же для обеспечения нормальной работы машин и механизмов. К этим материалам можно отнести, например, лаки, краски, эмали; клеи и герметики; флюсы и припои; смазочно-охлаждающие жидкости; жидкие масла и консистентные смазки; закалочные среды; консервационные материалы, обеспечивающие защиту изделий от коррозии при хранении и транспортировке; моющие средства; растворители и т.п.

В технике часто группируют материалы по наиболее важным для определенных условий эксплуатации свойствам. В частности, по электропроводимости различают проводники, полупроводники и диэлектрики, по магнитным свойствам - пара- и ферромагнетики; по теплопроводимости - теплоизоляционные материалы, имеющие низкую теплопроводимость. По степени воздействия на материал окружающей среды различают коррозионно-стойкие материалы, не разрушающиеся под действием кислот, щелочей, влаги, атмосферы воздуха; радиационно-стойкие, сохраняющие свою структуру и физико-механические характеристики в результате воздействия ионизирующих излучений.

Количественные и качественные характеристики материалов стандартизации, выраженные при помощи условных единиц, обозначений или понятий, называют показателями стандартов. Это размеры, химические и физические свойства, масса, качество, технический уровень, надежность, долговечность, экономичность и т. д.

Размер объекта выражается такими его характеристиками, как площадь, длина, ширина, соотношение сторон, периметр, и становится объектом технических требований к проектированию этих элементов.

Физические свойства металлов обусловлены их составом и структурой: температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление, теплопроводность. Химические свойства: способность металлов к химическому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия).

Качество - это совокупность свойств и характеристик продукции, которые характеризуют их способность удовлетворять потребности населения.

Надежность - это способность объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданном интервале времени, в режимах и условиях эксплуатации.

Долговечность - это свойство объекта или изделия сохранять работоспособность до наступления пограничного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Пограничное состояние - это такое состояние объекта, при котором его дальнейшее использование по назначению недопустимо по требованиям безопасности или из-за снижения и утраты эффективности. Пограничное состояние, как правило, предусмотрено в технической документации объекта.

Экономичность как показатель стандартизации - многостороннее понятие. Оно включает экономическую эффективность от разработки, внедрения и применения стандартов, а также от эксплуатации и использования продукции. Экономические показатели включают:

- затраты на изготовление и использование опытных образцов;

- себестоимость изготовления продукции;

- затраты на сырье и материалы при эксплуатации технических объектов.

Виды стандартов:

1. Стандарты на конкретную продукцию:

- параметры и размеры изделий;

- типы и типоразмеры изделий;

- ассортимент продукции;

- марки, конструкции изделий;

- методы контроля качества продукции;

- приемка, маркировка продукции;

- требования к упаковке, транспортировке и хранению продукции;

- технические условия.

2. Стандарты на группы однородной продукции или стандарты общих технических требований:

- 1-я ступень устанавливает требования, в соответствии с которыми изготовляется ранее освоенная продукция, отвечающая требованиям потребителя;

- 2-я ступень устанавливает требования к вновь разработанной или модернизированной продукции, которые отвечают высшему мировому уровню;

- 3-я ступень устанавливает наивысший мировой уровень перспективных требований, в соответствии с которыми должна производиться продукция в будущем.

3. Общетехнические стандарты:

- научно-технические термины и обозначения;

- условные обозначения (знаки, коды, метки, символы, наименования);

- номенклатура типовых проектов;

- номенклатура показателей качества продукции;

- общие требования к типовым технологическим проектам;

- общие требования к проектированию;

- нормы и нормативы;

- методы поверки измерительных приборов;

- методы проектирования.

4. Организационно-методические стандарты:

- основные (общие) положения по организации и проведению работ;

- организация разработки и производства продукции;

- порядок разработки, утверждения и внедрения научно-технической документации;

- метрологическое обеспечение качества продукции;

- требования к оформлению и содержанию разных видов документации (нормативно-технической, проектной, технологической).

В национальной стандартизации различают такие категории стандартов:

1. Государственные стандарты

2. Отраслевые стандарты

3. Стандарты предприятий

Тема 2. Основы металловедения. Атомно-кристаллическое строение металлов. Теория сплавов

1. Металлы, их природа и свойства. Типы связей в твердых телах. Металлический тип связи. Классификация металлов

Физические свойства металлов обусловлены их составом и структурой: температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление, теплопроводность.

Химические свойства: способность металлов к химическому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия).

Технологические свойства определяют способность материала подвергатся различным методам горячей и холодной обработки: литейные свойства, деформируемость, сваривае-мость, обрабатываемость режущим инструментом.

Эксплуатационные или служебные свойства: коррозионная стойкость, холодостойк-ость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность.

Механические свойства: прочность, пластичность, эластичность, вязкость (ударная), твёрдость, выносливость, износостойкость, ползучесть. Прочность - это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статистических или динамических нагрузок. Пластичность - это способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Вязкость - свойство материала, которое определяет его способность к поглашению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала.

Различают четыре типа элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную и металлическую. В зависимости от преобладающих элементарных связей в кристаллах также различают соответственно четыре группы связей: атомные, ионные, молекулярные и металлические. Наиболее типичны первые две химические связи -- ковалентная и ионная.

Ионная связь - присуща химическим соединениям, образованным элементами с резко различающейся валентностью. Ионная связь жесткая и направленная => все химические соединения прочные, твердые, но очень хрупкие (низкая пластичность). Ионная связь характерна для окислов различных элементов.

Ковалентная связь - устанавливается в результате образования устойчивых соединений, путем обобществления электронов группой атомов. Ковалентная связь характерна для кристаллических тел. Пример: алмаз. Ковалентная связь - жесткая, направленная => прочная. Она характерна для пластмасс.

Металлическая связь обусловлена строением атома. Электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не от­дельных, а всех валентных электронных орбит. При этом устанавливаются общие уровни энергии во всем объеме кристалла. Число уровней будет одного порядка с числом атомов в данном объеме металла. Для металла характерны кристаллические решетки с плотным расположением атомов => внешние оболочки соприкасаются и пересекаются. Металлическая связь - гибкая, нежесткая.

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы. Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо. Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы - Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото) и др. Сu - полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы - Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами - Ga(галий), Ge(германий).

2. Атомно-кристаллическое строение металлов. Связь между структурой и свойствами металла. Строение реальных кристаллов. Дефекты кристаллического строения

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

· точечные - малые во всех трех измерениях;

· линейные - малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

· поверхностные - малые в одном измерении.

· Точеные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.

Вакансия - отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом - это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

· Линейные дефекты:

Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокация - это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки.

· Поверхностные дефекты- границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов. Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 - 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической

3. Методы исследования структуры металлов и сплавов

Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микроструктурного, магнитного, люминесцентного, ультразвукового, рентгеновского и г-дефектоскопического методов анализа.

· Макроструктура -- это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроструктурный анализ используют для выявления формы и расположения зерен в литом металле, направления волокон в поковках и штамповках, местонахождения, размеров и форм нарушения сплошности, дефектов сварки, оценки толщины поверхностного слоя в изделиях, подвергнутых специальной поверхностной обработке, и др. Его осуществляют просмотром отшлифованной, отполированной и протравленной поверхности металлического изделия или макрошлифа (вырезанного из заготовки или металлоизделия темплета), поверхность которого шлифуют и протравливают.

· Микроструктурный анализ -- это исследование структуры металлов и сплавов с помощью микроскопов с увеличением от 1500 до 100000. При использовании электронных микроскопов рассматривают тонкий прозрачный слепок с микрошлифа -- фольгу, или реплику.

· Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) применяется для выявления трещин, волосовин, раковин и других дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок окиси железа или его суспензия в керосине. Частицы порошка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по силовым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты.

· Люминесцентный метод (люминесцентная дефектоскопия) используется для выявления поверхностных дефектов изделий (микротрещин). Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещины раствор под действием лучей светится, тем самым позволяя их выявить.

· С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа.

· Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия) применяется для контроля литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соединений. Он заключается в просвечивании деталей рентгеновским излучением и фиксировании выходящего излучения на специальной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях.

Разновидностью рентгеновского метода является г-дефектоскопия.

4. Физические свойства металлов. Химические свойства металлов. Механические свойства металлов

Физические свойства металлов обусловлены их составом и структурой: температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление, теплопроводность.

Химические свойства: способность металлов к химическому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия).

Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию внешних сил - статистических и динамических, растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих, которые вызывают различные виды деформации.

Основными механическими свойствами металлов являются ударная, вязкость, прочность, твердость, пластичность, хрупкость, выносливость и др.

Прочностью называется способность металлов сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил. В зависимости от направления действия сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и др. Предел текучести - свойство металла сопротивляться деформации. Чем выше прочность металла, тем меньше размеры изделия и расход металла на изделие.

Твердость характеризует свойство металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела, Металлы и сплавы, обладающие высокой твердостью, применяются для производства режущего инструмента и различных деталей, подверженных сильному износу.

Вязкость - свойство материла поглощать энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Упругостью называется свойство металлов и сплавов восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругость имеет важное значение для материалов, которые используются для изготовления пружин, рессор и др.

Пластичность характеризует свойство металлов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. Пластичность выражается относительным удлинением и сужением определяемыми при растяжении стандартных образцов.

Хрупкость - это свойство металлов и сплавов разрушаться под действием внешних сил без достаточной деформации.

Выносливостью называется свойство металла сопротивляться действию переменных по величине и направлению многократных нагрузок. Материалы, обладающие большой выносливостью применяются для изготовления коленчатых валов и шатунов двигателей , деталей паровых машин и др.

Кручение характеризует сопротивление металлов действию крутящего момента.

5. Технологические свойства металлов. Литейные свойства. Обрабатываемость давлением. Обрабатываемость резанием. Закаливаемость

Технологические свойства определяют способность материала подвергатся различным методам горячей и холодной обработки: ковкость, литейные свойства, деформируемость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость режущим инструментом и др.

Ковкость- способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением (прокатке, волочению, ковке, штамповке) без разрушения. Ковкость характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.

Свариваемость - способность металлов и сплавов образовывать прочные сварные соединения, обладающие теми же свойствами, что свариваемые металлы. Хорошо свариваются малоуглеродистые и низколегированные стали.

Литейные свойства - это характеристика, которая определяет способность расплава образовывать отливку с заданными технологическими свойствами, с минимальными экономическими и временными затратами. К одному из главных литейных свойств относится жидкотекучесть.

Жидкотекучестью называется способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания отливки. Высокая жидкотекучесть материала обеспечивает получение высококачественных плотных отливок, снижение в них газовых и усадочных раковин.

Обрабатываемость давлением - технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на обрабатываемый материал.

Прокатка - процесс пластического деформирования тел между вращающимися приводными валками.

Прессование заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного сечения выдавленной части заготовки соответствуют форме и размерам отверстия матрицы.

Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость матрицы; площадь поперечного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы.

Ковкой изменяют форму и размеры заготовки путём последовательного воздействия универсальным инструментом (бойками) на отдельные участки нагретой заготовки.

Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента -- штампа (для каждой детали изготовляют свой штамп), который состоит из матрицы, пуансона и дополнительных частей.

Комбинации. Существуют также процессы, при которых используются комбинации из нескольких методов. Например, метод прокатка-волочение.

Обрабатываемость резанием определяется способностью металлов и сплавов поддаваться обработке режущим инструментом.

Точение -- это механическая обработка резанием наружных и внутренних поверхностей вращения, в том числе цилиндрических и конических, торцевание, отрезание, снятие фасок, обработка галтелей, прорезание канавок, нарезание внутренних и наружных резьб на токарных станках.

Сверление (рассверливание, зенкерование, зенкование, развёртывание, цековка) - с помощью специального вращающегося режущего инструмента (сверла) получают отверстия различного диаметра и глубины, или многогранные отверстия различного сечения и глубины.

Строгание, долбление.

Фрезерование.

Протягивание, прошивание - применяется для обработки внутренних, либо наружных поверхностей.

Шлифование - используется для обработки твёрдых и хрупких материалов в заданный размер с точностью до микрона. А также для достижения наименьшей шероховатости поверхности изделия.

Отделочные методы (полирование, доводка, притирка, хонингование, суперфиниширование, шевингование).

Деформирующее резание - подрезание поверхностного слоя материала заготовки и последующей отгибке подрезанного слоя с формированием макрорельефа в виде рёбер, шипов, ячеек.

Закаливаемость - способность металла приобретать в результате закалки высокую твёрдость (структуру Мартенсита). Определяется главным образом количеством углерода в стали, например при увеличении содержания углерода с 0,3 до 0,7% твёрдость углеродистой стали возрастает с 30 до 65 HRC (дальнейшее увеличение содержания углерода не влечёт за собой роста твёрдости). При содержании углерода меньше 0,4% закаливаемость повышают легированием стали никелем, марганцем, хромом, кремнием.

Не путать с прокаливаемостью, которая характеризуется способностью металла или сплава закаливаться на определенную глубину. При низкой прокаливаемости прочность материала по сечению неодинаковая, что приводит к снижению срока эксплуатации деталей машин и механизмов.

6. Эксплуатационные требования, предъявляемые к изделиям из металлов

К изделиям предъявляются эксплуатационные требования: простота управления, прочность, точность изготовления, соответствие гарантийному сроку эксплуатации, безопасность работы, экономичность. Часть этих требований оговаривается в паспорте изделия.

Эксплуатационные свойства определяются назначением изделия, условиями его работы и заданными механическими, физическими, химическими свойствами. К изделиям из металла предъявляются прежде всего требования по прочности, пластичности и вязкости разрушения. Для контроля термической обработки изделий из металла задаются требования по твердости и глубине упрочненного слоя. К ответственным изделиям предъявляются дополнительные требования по пределу текучести, пределу выносливости, ударной вязкости и другим свойствам. Важнейшей характеристикой при эксплуатации изделий является сопротивление коррозии.

7. Коррозия металлов. Методы защиты металлов от коррозии

Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под воздействием окружающей среды.

Химическая коррозия происходит в различных химических производствах. В атмосфере активных газов (водорода, сероводорода, хлора), в среде кислот, щелочей, солей, а также в расплавах солей и других веществ происходят специфические реакции с привлечением металлических материалов, из которых сделаны аппараты, в которых осуществляется химический процесс. Газовая коррозия происходит при повышенных температурах. Под ее влияние попадают арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания. Электрохимическая коррозия происходит, если металл содержится в любом водном растворе.

Остановить коррозию невозможно, но ее можно замедлить. Основным приемом является предотвращение контакта железа с воздухом. Для этого металлические изделия красят, покрывают лаком или покрывают слоем смазки. Другой способ защиты металлов от коррозии - электрохимическое покрытие поверхности металла или сплава другими металлами, устойчивых к коррозии (никелирование, хромирование, оцинковка, серебрение и золочение). В технике очень часто используют специальные коррозионностойкие сплавы. Для замедления коррозии металлических изделий в кислой среде также используют специальные вещества - ингибиторы (представляют собой сложные композиции ПАВ - поверхностно активных веществ).

8. Методы исследования свойств металлов и сплавов

Используют несколько методов анализа.

Определение химического состава.

Используются методы количественного анализа.

1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.

Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом. Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спек-тра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.

Используются стационарные и переносные стилоскопы.

2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.

Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.

Изучение структуры

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

1. Макроструктурный анализ - изучение строения металлов и сплавов невоору-женным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.

Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).

Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.

2. Микроструктурный анализ - изучение поверхности при помощи световых мик-роскопов. Образцы - микрошлифы с блестящей полированной поверхностью. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.

Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.

Физические методы исследования

1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Данный метод позволяет определить критические точки.

2. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров - тепловое расширение. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3. Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

9. Сплав, система, компонент, фаза, структурная составляющая. Взаимодействие легирующих элементов с компонентами сплава. Структура сплавов

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойст-вами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Система - группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый ме-талл является простой однокомпонентной системой, сплав - сложной системой, со-стоящей из двух и более компонентов.

Компоненты - вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверх-ностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1. механические смеси - образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

2. химические соединения - образуются между элементами, значительно различающи-мися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

· Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm.

· Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов.

· Ярко выраженные индивидуальные свойства

· Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

3. твердые растворы - это твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристал-лической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен.

Основными легирующими элементами, целиком входящими в состав феррита и определяющими его твердорастворное упрочнение, являются некарбидообразующие элементы Si, Ni, Си, слабый карбидообразователь Мл, который не образует самостоятельных карбидов, а также в небольших количествах (до 0,02 %) [С + N], Такие карбидообразующие элементы, как Nb, V, Ті, находятся в связанном состоянии в специальных карбидах, А1 полностью связан либо в нитридах, либо в неметаллических включениях, Сг и Мо распределены между карбидами и ферритом, но их влияние на упрочнение феррита невелико вследствие их малой концентрации.

Тема 3. Основные группы промышленных сплавов (стали, чугуны; сплавы алюминия, меди, титана; антифрикционные сплавы; сплавы с особыми физическими свойствами)

1. Железоуглеродистые сплавы. Классификация углеродистых сталей. Маркировка. Чугуны. Классификация чугунов. Маркировка

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 различным признакам:

· Химический состав. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные. 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.

· Назначение. 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.

· Качество. 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.

· Степень раскисления. По степени удаления кислорода из стали. По степени 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) полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 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 у, относительное удлинение д%, предел текучести дт , 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.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на:

1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита;

2) высокопрочные - шаровидный графит;

3) ковкие - хлопьевидный графит.

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления дв при растяжении в МПа-10 . Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ".

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;

ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;

КЧ35 - ковкий чугун с дв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

2. Алюминий. Классификация алюминиевых сплавов по назначению и методам их упрочнения. Маркировка. Литейные алюминиевые сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы. Методы их упрочнения

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Аl₂О₃. Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения, одной из причин которых является налипание металла на инструмент.

В зависимости от примесей в алюминии, наблюдаются изменения его коррозионных, физических, механических и технологических свойств. Большинство примесей отрицательно сказываются на электропроводности алюминия. Наиболее распространенные примеси: железо, кремний. Железо, наряду с электропроводностью, снижает пластичность и коррозионную стойкость, повышает прочностные свойства алюминия. Кремний, а также медь, магний, цинк, марганец, никель и хром вводят в алюминиевые сплавы как основные компоненты. Соединения CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂- эффективно упрочняют алюминиевые сплавы. Марганец повышает коррозионную стойкость. Ni (никель), Ti (титан), Сг (хром), Fе (железо) повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо - его коррозионную стойкость.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время применяют две маркировки сплавов: старую буквенно-цифровую и новую цифровую. Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава.

Буква Д обозначает сплавы типа дуралюминий. Буквы АД в начале марки означают технический алюминий, буквы АК - алюминиевый ковочный сплав. Буква В в начале марки означает высокопрочный алюминиевый сплав.

Состояние полуфабрикатов из деформируемых сплавов обозначается буквенно-цифровой маркировкой: М - мягкий, отожженный; Т - закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно состаренный; Н - нагартованный; П - по-лунагартованный; Н1 - усиленно нагартованный (нагартовка листов примерно на 20 %); ТН - закаленный, естественно состаренный, нагартованный; Т1Н - закаленный, нагартованный и искусственно состаренный; Т1Н1 - закаленный, нагартованный на 15-20 % и искусственно состаренный.

Условные обозначения видов термообработки литейных сплавов: Т1 - старение; Т2 - отжиг; ТЗ - закалка; Т4 - закалка и естественное старение; Т5 - закалка и неполное искусственное старение; Тб - закалка и полное искусственное старение до максимальной твердости; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 -закалка и смягчающий отпуск. На способ литья указывают буквы: 3 - в землю; О-в оболочковые формы; В - по выплавляемым моделям; К - в кокиль; Д - под давлением. Буква М обозначает, что сплав при литье подвергается модифицированию.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на три группы:

1) деформируемые, предназначенные для получения поковок, штамповок, проката, труб. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой, имеют сравнительно низкую прочность, но более высокую пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют в отожженном состоянии или упрочняют с помощью холодной пластической деформации. К таким сплавам относятся сплавы типа АМц (система А1 - Мп) и типа АМг (система А1 - Mg). Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением и свариваются. Из них обычно изготавливают изделия, получаемые глубокой вытяжкой из листового материала. Благодаря меньшей плотности и достаточной прочности чаще применяют алюминиево-магниевые сплавы. Широкое распространение получили деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Примером деформируемых термоупрочняемых алюминиевых сплавов являются сплавы алюминия с медью.

Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы системы Аl--Сu--Мg - дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Достоинством дуралюминов является высокая удельная прочность. Термическая обработка упрочняет дюралюмины, повышает их свариваемость точечной сваркой. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием. В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19).

Высокопрочные сплавы системы Аl--Zn--Мg--Сu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, ТЗ), а также применением сплавов повышенной (В95кч) и особой (В95оч) чистоты.