Основы стандартизации материалов

Ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Аl--М-Si--Cu) при горячей обработке давлением обладают высокой пластичностью. Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но под напряжением склонны к коррозии. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют или покрывают лакокрасочными материалами. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой. Эти сплавы способны работать при криогенных (очень низких) температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1-Си-Мп (Д20, Д21) и Аl--Сu--Мg--Fе--Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски), работающих при повышенных температурах (до 300 °C). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии.

2) литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости. Наиболее распространенными литейными сплавами являются сплавы алюминия с высоким содержанием кремния (более 5 %), называемые силуминами. Широкое распространение получил силумин марки АК12 (АЛ2), содержащий 10-13 % кремния, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Кроме силуминов применяют литейные сплавы, легированные медью и магнием. Они имеют несколько худшие литейные свойства, но более высокие механические характеристики, в том числе при повышении температуры. Эти сплавы могут подвергаться термической обработке. Основные требования к сплавам для фасонного литья - это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава.

3) сплавы, получаемые методом порошковой металлургии (спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС)).

Алюминиевые сплавы разделяют по способности упрочняться термической обработкой на:

· Упрочняемые

· Не упрочняемые. Они могут подвергаться гомогенизационному, рекристализационному и разупрочняющему отжигу.

3. Медь. Классификация медных сплавов. Маркировка. Латуни. Классификация латуней по структуре и составу. Бронзы. Основные типы бронз. Медно-никелевые сплавы

Медь - металл розовато-красного цвета, плотность медь 8,95 г/см3, температура плавления 1083 °С. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой зеленого цвета. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии. Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред. Из-за низких значений предела текучести и высокой стоимости чистая медь как конструкционный материал не применяется. Около половины производимой меди используется в электро- и радиотехнике.

Медь и ее сплавы имеют высокие характеристики механических свойств при низких температурах, хорошую коррозионную стойкость и высокую теплопроводность, удовлетворительную технологичность. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является сравнительно плохая обрабатываемость резанием. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.

По технологическим характеристикам различают деформируемые и литейные медные сплавы, по химическому составу их делят на латуни и бронзы. Латуни представляют собой сплавы меди с цинком, а бронзы - сплавы меди с другими элементами.

Медные сплавы обозначают начальной буквой сплава Л - латунь или Бр - бронза, после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав: О - олово, Ц - цинк, Мц - марганец, А - алюминий, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, X -- хром, Н - никель и т. д., а после них цифры, указывающие содержание легирующих элементов в процентах. В деформируемых латунях не указывается содержание цинка, а в деформируемых бронзах - содержание меди, их концентрации определяются по разности. Например, ЛЖМц-59-1-1 - латунь, содержащая, %: 59 Си, 1 Fe, 1 Мп и остальное - цинк, или БрОФ6,5-ОД5 - бронза: 6,5 Sn, 0,15 Р, остальное - медь.

Латунь - это медный сплав с добавлением цинка.

Цинк, содержание которого в составе может доходить до 40%, повышает прочность и пластичность сплава. Наиболее пластична латунь, с долей цинка около 30%. Она применяется для производства проволоки и тонких листов. В состав также могут входить железо, олово, свинец, никель, марганец и другие компоненты. Они повышаю коррозийную устойчивость и механические свойства сплава.

Латунь хорошо подвергается обработке: сварке и прокатке, отлично полируется.

Широкий диапазон свойств, низкая себестоимость, легкость в обработке и красивый желтый цвет делают латунь наиболее распространенным медным сплавом с большой областью применения.

Все латуни делятся на деформируемые латуни, литейные латуни и ювелирные сплавы.

1) Деформируемые латуни бывают двойные и многокомпонентные.

Деформируемые латуни (другое название - томпак) имеют процентное содержание меди 90-97%. Они высоко пластичны, обладают высокой устойчивостью к коррозии, хорошими антифрикционными свойствами, легко свариваются со сталью. Томпак окрашен в приятный золотистый цвет, благодаря чему, сплав используется для изготовления фурнитуры, художественных изделий, знаков отличия.

Двойные деформируемые латуни используются в автомобилестроении, для изготовления различной аппаратуры, змеевиков, сильфонов, гаек, болтов, конденсаторных труб, толстостенных патрубков.

Многокомпонентные деформируемые латуни применяют для изготовления деталей часов, электромашин, морских судов, самолетов, химической аппаратуры. Из них производят вкладыши подшипников, арматуру, втулки, пружины и полиграфические матрицы.

2) Литейные латуни применяют для изготовления литых деталей арматуры, устойчивых к коррозии и высокой температуре деталей ответственного назначения.

Латунь маркируется следующим образом: сначала идет буква Л, а за ней ставятся цифры, указывающие процентное содержание меди, а также других металлов в сплаве. Такая маркировка позволяет легко ориентироваться в свойствах и области применения. Так, например, латуни Л62 и Л68 используются вместо меди для изготовления деталей методом глубокой штамповки. Состав латуни должен соответствовать нормам ГОСТа.

Бронзы - это двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим. По главному легирующему элементу различают бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые и т д.

Литые оловянные бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1 %) и хорошую жидкотекучесть. Из бронзы изготавливают сложные отливки. Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой электрической проводимостью и теплопроводностью. Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими, антифрикционными и противокоррозионными свойствами. Для снижения усадки, окисляемости и склонности к газонасыщению алюминиевые бронзы легируют железом, никелем, марганцем. Основное применение алюминиевых бронз -- для изготовления ответственных деталей машин, работающих при интенсивном изнашивании и повышенных температурах. Кремнистые бронзы характеризуются высокими антифрикционными, упругими свойствами, коррозионной стойкостью. Кремнистые бронзы уступают оловянным по величине усадки, но превосходят по коррозионной стойкости, механическим свойствам и плотности отливки. При добавлении кремния образуется сплав на основе твердого раствора кремния в меди, такой сплав хорошо обрабатывается давлением, пластичен. Кремнистые бронзы применяю для изготовления антифрикционных деталей, пружин, мембран приборов и оборудования. Высокой механической прочностью обладает бериллиевая бронза. Она отличается высокой твердостью и упругостью, износостойкостью и стойкостью к воздействию коррозионных сред, что обеспечивает работоспособность изделий при повышенных температурах. Бериллиевая бронза хорошо обрабатывается резанием и сваривается. Используется для изготовления деталей, эксплуатируемых при повышенных скоростях перемещения, нагрузках, температуре. Хромовые бронзы отличаются высокими механическими свойствами, высокой электропроводностью и теплопроводностью и повышенной температурой рекристаллизации. Эти сплавы широко применяются для электродов электросварочных аппаратов и изготовления коллекторов электромоторов, как более качественные сплавы, чем кадмиевая бронза и коллекторная медь, применяемые для этих целей.

Медно-никелевые сплавы

Сплавы на основе меди, содержащие никель в качестве главного легирующего элемента. Никель образует с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Мельхиор - однофазный сплав, представляющий собой твёрдый раствор; хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, после отжига имеет хороший предел прочности. Мельхиор имеет высокую стойкость против коррозии в воздушной атмосфере, пресной и морской воде.

Нейзильбер - сплав меди с 5--35% Ni и 13--45% Zn. При повышенном содержании никеля имеет красивый белый цвет с зеленоватым или синеватым отливом и высокую стойкость против коррозии. Дорогие изделия из сплавов типа Нейзильбер под названием "пакфонг" , производили под разными наименованиями: китайское серебро, мельхиор и др.

4. Титан. Принципы легирования титановых сплавов. Классификация титановых сплавов по структуре. Термическая обработка титановых сплавов

Титан - металл серебристо-белого цвета с малой плотностью и высокой температурой плавления.

Титан имеет две полиморфные модификации: а-титан и высокотемпературную модификацию 3-титан с кубической объемно-центрированной решеткой при 900 °С.

Механические свойства титана существенно зависят от чистоты металла от примесей. Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно они резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,03 % Н (водорода), 0,2 % N (азота) или 0,7 % О (кислорода) титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Технически чистый титан марки ВТ1-1 по прочности и пластичности не уступает ряду углеродистых и хромо-никилиевых коррозионно стойких сталей. При понижении температуры от комнатной до криогенных прочностные свойства растут при сохранении высокого уровня пластичности. Чистый титан с малым содержанием водорода (менее 0,002 %) не обладает хладноломкостью и сохраняет высокую пластичность. По удельной прочности в интервале температур 300--600 °С сплавы титана не имеют себе равных; при температуре ниже 300 °С они уступают алюминиевым сплавам, а выше 600 °С -- сплавам на основе железа и никеля. Титан имеет низкий модуль нормальной упругости, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу. Хотя титан относится к числу химически активных металлов, он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка. Благодаря этому титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. Сплавы титана имеют несколько меньшую жаропрочность, чем специальные стали. Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и дуговой сваркой в защитной атмосфере, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Легирование. Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и некоторыми другими элементами.

Такие элементы, как Al, N, О, повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе а-титана и таким образом являются а-стабилизаторами. Учитывая охрупчивающее действие азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Алюминий является основным упрочняющим легирующим элементом, к тому же имеющим малую плотность. Поэтому он обычно присутствует в большинстве титановых сплавов.

Большинство легирующих элементов (Мо, V, Мп, Fe, Сг и др.), наоборот, понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования твердых растворов на основе Ті, являясь Р-стабилизаторами.

Некоторые стабилизаторы (Сг, Мп, Fe, Ni и др.) могут образовывать с титаном интерметаллические соединения типа ТiХ. Упрочняющая термическая обработка, состоящая из закалки и старения, применима только для сплавов с (а + Р)-структурой. Сплавы с устойчивой a-структурой нельзя упрочнить термической обработкой.

Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов.

Термическая обработка. Титановые сплавы подвергают термической обработке рекристаллизационному отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке. Отжиг титановых сплавов проводят после холодной деформации. Температура их рекристаллизации составляет в среднем 500 °С, и отжиг при температуре 700-800 °С вполне достаточен для устранения наклепа.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойствами. Для повышения износостойкости их подвергают азотированию. Азотирование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для уменьшения хрупкости азотированного слоя проводят вакуумный отжиг заготовок при 800-900 °С.

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют большую прочность, в том числе при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

5. Антифрикционные и фрикционные сплавы. Способы их получения, области применения. Маркировка. Принципы структурообразования и легирования материалов подшипников. Баббиты. Фрикционные сплавы

Сплавы подразделяют на фрикционные (увеличивающие трение) и антифрикционные (снижающие трение).

Антифрикционные сплавы должны обладать низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью. Высокие антифрикционные свойства обеспечиваются гетерогенной структурой сплава, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц. Мягкая основа прирабатывается к валу и вместе с твердыми включениями образует оптимальный антифрикционный микрорельеф с пространством для удерживания смазочных материалов. Для повышения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления. Антифрикционные материалы должны иметь высокую теплопроводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхностей. Для изготовления подшипников скольжения заливкой трущихся поверхностей заливаемые сплавы должны иметь низкую температуру плавления (но не настолько низкую, чтобы подшипники оплавлялись в процессе работы).

Антифрикционные сплавы-чугуны, бронзы и баббиты-сплавы на основе Pb, Sn, Zn или Аl. Методами порошковой металлургии получают антифрикционные сплавы на основе системы Fe-графит и бронза--графит.

Для подшипников скольжения используют чугунные вкладыши, бронзовые вкладыши и баббиты.

Чугунные вкладыши для подшипников являются наиболее дешевым антифрикционным материалом. Для этой цели используют высококачественные чугуны, имеющие перлитную основу и повышенное количество графита. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, тем самым дополнительно снижая коэффициент трения. Присутствие феррита в структуре недопустимо, так как при этом увеличивается износ подшипников. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях из-за сравнительно высокого коэффициента трения пары сталь - чугун (по сравнению с парами бронза - сталь или баббит - сталь).

Бронзовые вкладыши применяют для подшипников более ответственного назначения, используемых в быстроходных двигателях, при высоких удельных давлениях и значительных динамических нагрузках. Для изготовления бронзовых вкладышей применяют оловянные и свинцовые бронзы, например марок БрОС8-12 (8 % Sn, 12 % Pb), БрОС5-25 (5 % Sn, 25 % Pb), БрСЗО (ЗО % Pb). В оловянных бронзах твердый раствор применяется в качестве мягкой основы (на шлифе он имеет вид темных овальных дендритов), а (а + Р)-эвтектоид (светлые участки) - твердых включений. В чисто свинцовой бронзе БрСЗО (70 % Си, 30 % РЬ) получают мягкую медную основу с еще более мягкими включениями свинца, так как свинец совершенно не растворим в меди. Такие антифрикционные сплавы характеризуются высокими значениями предела выносливости, пластичности и теплопроводности.

Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравнительно невысокая механическая прочность. Поэтому их иногда наплавляют на стальную ленту. Наплавку производят в защитной атмосфере.

Фрикционные сплавы должны обладать высокими и стабильными в широком интервале температур коэффициентом трения, износостойкостью, теплопроводностью, сопротивлением схватыванию, достаточной прочностью. Они отличаются невысокой прочностью, поэтому применяются в виде тонкого слоя или на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием. Их используют для дисков, лент, колодок в различных тормозных устройствах. Сплавы имеют сложный состав. Например, сплав на основе железа содержит, помимо основного компонента, медь, свинец, графит, кремнезем, асбест, сернокислый барий. Асбест и кремнезем обеспечивают высокий коэффициент трения, графит предохраняет от истирания и износа, медь придает хорошую теплопроводность, свинец предохраняет от чрезмерного перегрева и способствует плавному торможению, сернокислый барий устраняет прилипаемость трущихся поверхностей.

Фрикционные сплавы получают в основном методами порошковой металлургии на основе Fe и Си с добавками асбеста, оксидов и карбидов (увеличивающих трение), Pb, Sn, графита, сульфидов, солей (улучшающих износ и предотвращающих схватывание).

Специальные подшипниковые сплавы - баббиты имеют минимальный коэффициент трения со сталью, хорошо прирабатываются к валу и легко удерживают смазку: благодаря вязкой основе они легко поглощают посторонние твердые частицы, не образуя задиров вала. Обычно применяют баббиты на оловянной либо на свинцовой основе.

Наилучшими антифрикционными и механическими свойствами обладают оловянные баббиты.

Для более легких условий работы применяют баббиты, у которых значительная часть олова заменена свинцом. Например, баббит Б16 имеет меньшую пластичность и как более хрупкий материал не может использоваться для высоконагруженных машин.

Антифрикционные и механические свойства баббитов можно повысить за счет введения добавок никеля, кадмия и мышьяка.

Для подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта (подшипники вагонов, коленчатых валов дизельных двигателей) широко применяют кальциевые баббиты типа БК. Мягкой составляющей такого баббита является а-твердый раствор Са и Na в свинце, а твердой - кристаллы РЬ₃Са. Дополнительно вводимые в сплав небольшие добавки Al, Mg и Sn способствуют упрочнению твердого раствора.

Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баббит - сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочный стальной, чугунный или бронзовый корпус.

6. Сплавы с особыми физическими свойствами. Магнитные материалы. Классификация по магнитным свойствам. Материалы с особыми тепловыми и упругими свойствами. Радиационностойкие материалы

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами условно можно разделить на следующие группы:

· магнитные стали и сплавы;

· немагнитные cтали и сплавы;

· стали и сплавы с высоким электросопротивлением;

· сплавы с особенностями теплового расширения;

· сплавы с высокими упругими свойствами;

· криогенные и термобиметаллы.

Сталь электротехническая тонколистовая -- один из наиболее широко используемых магнитно-мягких материалов. Она предназначена для изготовления деталей магнитных цепей электротехнических машин, аппаратов и приборов, которые работают в переменных магнитных полях. Имеет малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. Сталь должна иметь минимальные удельные потери и высокую индукцию в сильных полях. Требует высокой проницаемости в слабых полях и при подмагничивании постоянным током. Хорошую штампуемость наряду с высокими магнитными свойствами. К электротехническим сталям предъявляются определенные требования по пластичности, значение имеют внешние параметры листа -- разнотолщинность, волнистость и коробоватость.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) используют для спаев металла с неорганическим диэлектриком в конструкциях электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов, для деталей измерительных приборов. Сплавы обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью при заданном значении ТКЛР. Их классифицируют с учетом их магнитных свойств (ферромагнитные сплавы и немагнитные) и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие). Ферромагнитные сплавы составляют большую часть сплавов с заданным тепловым расширением. Эти сплавы являются двойными или сложнолегированными на железоникелевой основе. Также производятся ферритные сплавы на основе системы Fe--Сr. Немагнитные сплавы с низким и средним ТКЛР разработаны на основе хрома с небольшими легирующими добавками железа, кобальта, марганца и других элементов. Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, твердостью, однако они имеют низкую пластичность.

Сплавы с заданными свойствами упругости должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения. К ним предъявляются требования по ряду свойств: высокий или, наоборот, низкий модуль упругости, низкий температурный коэффициент модуля упругости или частоты, высокая добротность, малый упругий гистерезис и упругое последействие, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, немагнитность, электропроводность, износостойкость, а также стабильность этих характеристик при температурах эксплуатации. Они должны обладать технологической пластичностью для получения упругих элементов заданной конфигурации и свариваемостью. Сплавы применяют в качестве пружин и пружинных элементов, упругочувствительных элементов измерительных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора, генерирования и настройки на заданную частоту.

Сплавы прецизионные сверхпроводящие предназначены для работы только при низких температурах и характеризуются определенным комплексом тепловых, электрических, магнитных и механических свойств при этих температурах. В этом комплексе для конкретной группы сплавов выделяют доминирующий и сопутствующие параметры.

Термобиметаллы представляют собой материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными ТКЛР, сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения, и применяются для автоматического регулирования заданной нагрузки и температуры в различного рода компенсационных устройствах, терморегуляторах, а также в приборах бытовой техники. Основным свойством термобиметаллов является термочувствительность, т.е. способность изгибаться при изменении температуры.

Радиационностойкие материалы.

Радиационная стойкость -- это стабильность структуры и свойств в условиях облучения. Наибольшее влияние структурные изменения от облучения оказывают на механические свойства и коррозионную стойкость.

Для обечаек корпусов реакторов широко используют ферритные низкоуглеродистые и низколегированные стали марок А508-2 и А533. Стали легированы марганцем и молибденом, причем первая марка дополнительно модифицирована небольшими добавками никеля и хрома. После улучшения стали характеризуются высокой прочностью и вязкостью и, благодаря низкому содержанию углерода, имеют хорошую свариваемость.

Однако эти ферритные стали быстро теряют прочность при повышении температуры и не обладают достаточной коррозионной стойкостью. Поэтому внутренние поверхности всех компонентов первого контура плакируют аустенитными хромоникелевыми коррозионностойкими сталями.

Для изготовления корпусов современных модификаций реакторов применяют сплавы на основе никеля и кобальта, легированные хромом и молибденом. Сопротивление ползучести специальных сплавов примерно в 2 раза превышает сопротивление ползучести аустенитных сталей, причем при более высоких температурах это различие возрастает.

Перлитные стали при температуре облучения 250-450 °С мало изменяют свойства, а при температуре выше 450 °С свойства практически не изменяются, так как рекристаллизация проходит полностью. Аустенитные стали стабильны при температуре выше 600 °С. Алюминий и магний, имеющие низкие температуры рекристаллизации, радиационностойки при температуре выше 150 °С. Пластичность не меняется, а прочность даже увеличивается.

Тема 4. Пути повышения конструкционной прочности металлов и сплавов (пластическая деформация, легирование, термическая обработка)

1. Упругая и пластическая деформация. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов. Наклеп

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся - остаточной, или пластической. При увеличении напряжений деформация может заканчиваться разрушением.

При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов из положений равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки, сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации. Пластичность, т. е. способность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.

Величина напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации, зависит от скорости деформирования и температуры. С увеличением скорости деформирования достижение заданной деформации требует больших напряжений, а при повышении температуры значение необходимых напряжений снижается. Таким образом, пластическая деформация является термически активируемым процессом. При понижении температуры предел текучести большинства металлов растет..

Наклеп. После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьшается его способность к пластической деформации, т. е. происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом.

При деформации зерна меняют свою форму и ориентировку, образуя волокнистую структуру с преимущественной ориентировкой кристаллов. Происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. Зерна деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Чем больше степень деформации, тем большая часть зерен получает преимущественную ориентировку. Образование текстуры способствует появлению анизотропии свойств вдоль и поперек направления волокон.

В результате наклепа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации є = 70 % среднеуглеродистой стали ее временное сопротивление увеличивается примерно в два раза, а относительное удлинение уменьшается с 30 до 2 %. Одновременно в процессе пластической деформации увеличивается количество точечных несовершенств - вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и несовершенств кристаллического строения затрудняется свободное перемещение дислокаций. Дополнительные барьеры для дислокаций создаются за счет деформации зерен и дробления блоков. Все эти факторы способствуют упрочнению металла при наклепе.

Одновременно в результате пластической деформации существенно изменяются физико-механические свойства металлов. Наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электросопротивление, меньшую теплопроводность; у него падает устойчивость против коррозии.

2. Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии. Краткая характеристика (назначение, виды и режим) операций термической обработки. Отжиг I рода. Отжиг II рода. Нормализация. Закалка. Отпуск. Старение

Термическая обработка - комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств.

Отжигом называют нагревание и медленное охлаждение стали.

Отжиг 1-го рода. Этот вид термической обработки возможен для любых металлов и сплавов. Нагрев при отжиге 1 рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, т. е. способствует получению более равновесного состояния. Основное значение при проведения такого отжига имеют температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Скорость нагрева и охлаждения для отжига 1 рода имеет второстепенное значение.

Различают следующие разновидности отжига 1 рода:

· диффузионный отжиг (гомогенизирующий) используют для устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации сплава (дендритной ликвации).

· Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации (холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава. В деформированном металле образуются новые зерна, снимаются напряжения, и восстанавливается пластичность металла.

· Отжиг для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье, которые могут вызвать коробление, т. е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Отжиг II-го рода.

Отжиг второго рода - изменение структуры сплава с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относится полный, неполный и изотермический отжиги.

В зависимости от температуры нагрева различают полный и неполный отжиг.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали. Изделия нагревают, чтобы обеспечить полную перекристаллизацию - превращение исходной ферритно-перлитной структуры в аустенит. Назначение его - улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали.

Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией, он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.

При изотермическом отжиге в процессе выдержки происходит выравнивание температуры по сечению изделия. Это способствует получению более однородной структуры и однородных свойств. Легированные стали подвергают такому отжигу. Их твердость остается после отжига высокой, что ухудшает обрабатываемость режущим инструментом.

Нормализацией называют термическую обработку стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния и охлаждают на спокойном воздухе. Отличие нормализации от полного отжига только в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкое строение эвтектоида, уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, возникшие в процессе предшествующих обработок изделий. Твердость и прочность выше, чем после отжига. Нормализацию применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева и охлаждение на спокойном воздухе.

Закалка - термообработка, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что повышает твердость стали. К закалке относят: термообработку на сорбит, тростит и мартенсит. Закалка это предварительная обработка перед отпуском.

Важна критическая скорость закалки. От нее зависит прокаливаемость стали, т. е. способность закаливаться на определенную глубину. Введением в сталь углерода и легирующих элементов повышается прокаливаемость. Основные параметры при закалке - температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения - по диаграммам изотермического распада аустенита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали.

Отпуск и старение - это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов.

Термин отпуск принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение - в случае закалки без полиморфного превращения.

Цель отпуска стали - улучшение ее свойств. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической.

В отличие от отпуска после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.

Главный процесс при старении - это распад пересыщенного твердого раствора, который получается в результате закалки.

Различают старение:

· Естественное старение - это самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплава, которое происходит в процессе его выдержки при нормальной температуре.

· Искусственное старение - это повышение прочности, происходящее в процессе выдержки при повышенных температурах.

· После пластической деформации. Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то это ускоряет протекающие при старении процессы.

После старения увеличивается прочность и уменьшается пластичность низкоуглеродистой стали. Старение является основным способом упрочнения алюминиевых сплавов, некоторых сплавов меди, а также многих жаропрочных и других сплавов.

3. Краткая характеристика промышленных процессов химико-термической обработки (цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, хромирование, силицирование)

Химико-термической обработка (ХТО) - обработка с сочетанием термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении, при котором происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (С, Т, В, Аl, Сг, Si, Т и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

ХТО металлов и сплавов как с целью их поверхностного упрочнения, так и для зашиты от коррозии повышает надежность и долговечность деталей машин.

ХТО включает основные взаимосвязанные стадии:

1) образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;

2) адсорбционно-образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

3) диффузионно-перемещение адсорбированных атомов внутри металла. Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя - материала детали у поверхности насыщения, отличающегося от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной. Общая толщина диффузионного слоя - кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины.

Цементация стали - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в карбюризаторе, проводят при 930-950 °C и выдерживают 16 часов. Цементация осуществляется в твердой (порошкообразной) и газовой среде.

Применяется для повышения износостойкости.

Для цементации используют низкоуглеродистые, легированные стали. Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование.

Основные виды цементации - твердая и газовая. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; упрощается термическая обработка деталей.

Термическая обработка необходима чтобы: исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины. После цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Недостаток такой термообработки - сложность технологического процесса, возможность окисления и обезуглероживания.

Заключительная операция - низкий отпуск при 160-180 °C, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения и улучшающий механические свойства.

Нитроцементация производится в среде эндогаза, аммиака и природного газа в течение 14 часов при температуре 840-870° С.

Азотирование стали - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500 °C), тогда как твердость цементованного слоя сохраняется до 200-225 °C. Азотирование чаще проводят при 500-600 °C.

Азотирование применяется для упрочнения штампов, изготовленных из теплостойких и полутеплостойких сталей. Производится как до закалки, так и после нее.

Борирование - насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, тугоплавкие металлы и никелевые сплавы.

Для борирования используется порошковая смесь, состоящая из карбида бора - 71%, обезвоженной технической буры - 16%, шамотного порошка- 10% и хлористого аммония - 3%. В этой смеси детали выдерживаются в закрытом контейнере в течение 6 часов при температуре 950° С.

Хромирование - насыщение поверхности изделий хромом. Позволяет получить высокотвердый износостойкий слой, сохраняющий свои свойства до высоких температур. Хромирование производится в вакуумной закрытой камере или в специальном приспособлении в течение 4 часов при температуре 800°. Состав хромирующей смеси: хром - 65%, каолин - 34%, хлористый аммоний - 1 %. Хромирование может проводиться в комплексе с другими методами упрочнения - цементацией, цианированием.

Силицирование. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

В последнее время с успехом применяются электролитические методы: электролитическое борирование, электролитическое хромирование и др.

Алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости. При алитировании железа и сталей наблюдается плавное падение концентрации алюминия по толщине слоя.

4. Термическая обработка - часть технологического процесса упрочнения изделий (предварительная, заключительная)

Термическая обработка - комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств.

Две наиболее распространенные разновидности термической обработки. Одна из них основана на использовании специфики превращений в сплавах, обусловленной наличием в них аллотропических превращений, а другая базируется на переменной растворимости компонентов друг в друге при нагреве и охлаждении.

В обоих случаях основой технологии термической обработки является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

Термическая обработка бывает:

· Предварительной. Предварительная термическая обработка используется в тех случаях, когда материал необходимо подготовить к дальнейшим технологическим воздействиям - давлению, резанию и т. д.

· Окончательной. Окончательная термическая обработка применяется для подготовки свойств готового материала.

От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки.

Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери времени на нагрев, и в то же время ее величина должна исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, могущих привести к короблению и растрескиванию детали, что наблюдается при слишком быстром нагреве.

Скорость нагрева зависит от теплопроводности обрабатываемого сплава, которая, в свою очередь, определяется его химическим составом. С усложнением состава теплопроводность ухудшается. Поэтому нагрев неблагоприятных по составу сплавов до определенных температур осуществляется очень медленно, а затем ускоренно.

Время выдержки детали по достижении заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной температуре.

Скорость охлаждения при термической обработке является очень важным элементом режима, от которого зависят особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. Она должна быть достаточной для протекания в сплаве необходимых превращений, но не слишком большой во избежание опасных термических и фазовых напряжений, могущих вызвать растрескивание или деформацию (коробление) детали.

Термическая обработка применяется для улучшения конструкционных материалов, в частности стали. Время проведения термической обработки напрямую зависит от размеров обрабатываемых материалов и деталей.

5. Принципы легирования. Классификация и маркировка легированных сталей

Легированная сталь - это сталь, которая содержит кроме углерода и обычных примесей, другие элементы, улучшающие ее свойства.

Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы.

В сталь вводятся легирующие элементы, которые изменяют ее механические, физические и химические свойства, а также в зависимости от назначения стали в нее вводят элементы, изменяющие свойства в нужном направлении. Легированная сталь многих марок приобретает высокие физико-механические свойства только после термической обработки.

По суммарному количеству легирующих элементов, которые содержатся в стали, она делится на:

· низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов менее 2,5 %)

· среднелегированную (от 2,5 до 10 %)

· высоколегированную (более 10 %).

Легирующие элементы по отношению к углероду разделяются на две группы:

1) элементы, которые образуют с углеродом устойчивые химические соединения - карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, титан); карбиды могут быть простые (например, Сг₄С) или сложные легированные (например, ((FеСг)₇С₃); твердость их обычно выше твердости карбида железа, а хрупкость ниже;

2) элементы, не образующие в присутствии железа карбидов и входящие в твердый раствор - феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

По назначению легированную сталь делят на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физикохимическими свойствами.

Конструкционную сталь применяют для изготовления деталей машин; она делится на цементируемую (подвергаемую цементации) и улучшаемую (подвергаемую улучшению - закалке и высокому отпуску). К сталям с особыми свойствами относят: нержавеющие, жаростойкие, кислотостойкие, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами.

Маркировка по ГОСТ для обозначения легирующих элементов: Х - хром, Н - никель, Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, М - молибден, К - кобальт.

Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы - наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами, - процентное содержание этих компонентов в стали. Если после какой-либо буквы отсутствует цифра, то содержание данного элемента в стали примерно равно 1 %. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1 % углерода.

Для обозначения высококачественной стали в конце маркировки добавляют букву А. Высококачественная сталь содержит меньше серы и фосфора, чем обычная качественная.

Стали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди: Ш - шарикоподшипниковая, Р - быстрорежущая, Ж - хромовая нержавеющая ферритного класса, Я - хромоникелевая нержавеющая аустенитного класса, Е - электротехническая сталь.

Все легированные стали можно разделить на группы в зависимости от четырех признаков: по равновесной структуре стали, по структуре после охлаждения стали на воздухе, по составу стали, по назначению стали.

В зависимости от того, какое количество углерода содержится в стали, различают следующие виды:

· малоуглеродистые до 0.1-0.2 %,

· среднеуглеродистые

· высокоуглеродистые 0.6-1.7 % С.

Структура сталей может быть доэвтектоидной (феррит + перлит), эвтектоидной (перлит) и заэвтектоидной (перлит + цементит) стали.

Существует три способа выплавки стали: кипящий, полуспокойный, спокойный способы. При кипящем способе в структуре стали содержатся в большом количестве газовые пузыри, которые являются результатом раскисления стали в изложницах и выделения СО.

6. Конструкционные стали. Стали повышенной прочности (цементуемые, улучшаемые, высокопрочные). Шарикоподшипниковые. Износостойкие стали. Пружинные стали. Коррозионностойкие и жаростойкие стали

Конструкциомнная сталь -- сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор -- придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера -- придаёт стали красноломкость.

Содержание вредных примесей в стали:

· Обыкновенного качества (маркировка Ст).

· Качественная (маркировка Сталь).

· Высококачественная (маркировка А в конце марки).

· Особовысококачественная (маркировка Ш в конце марки).

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества - применяются в строительстве и машиностроении, как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют на три группы: А, Б, В.

Стали группы А применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке -- ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. Стали группы Б применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке. Стали группы В применяются для изготовления сварных конструкций, для более ответственных деталей.

По степени раскисления (содержанию кремния) углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

· спокойные (СП)

· полуспокойные

· кипящие (КП)

Маркировка. Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А -- буквой не обозначается. Ст -- показывает, что сталь обыкновенного качества. Первая цифра -- номер по ГОСТу (от 0 до 6). Буква Г после первой цифры -- повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали). сп; пс; кп -- степень раскисления стали (Для стали группы А отсутствие обозначения подразумевает "сп"). Вторая цифра -- номер категории стали (от 1 до 6 -- основные механические свойства). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается.