Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

КАФЕДРА «СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ»

Курс лекций по дисциплине

«Материаловедение»

Направление/специальность:23.05.04 (190401.65) Эксплуатация железных дорог_

(код, наименование специальности /направления)

Профиль/специализация: Магистральный транспорт (ДМ)

Квалификация (степень) выпускника: __ инженер путей сообщения_______ Форма обучения: __ заочная

Брянск 2014 г.

ЛЕКЦИЯ 1

метал деформирование пластический

Основы строения и свойств материалов

Кристаллическое строение и свойства металлов. Основные типы кристаллических решеток аллотропия металлов. Дислокационная структура и прочность металлов. Механические свойства материалов

Материаловедение - наука изучающая связь состава, строения и свойств материалов в различных термодинамических условиях.

1.1 Строение и кристаллизация металлов

1.1.1 Общие сведения

Металлы делятся на две группы:

черные - железо и сплавы на его основе (сталь, чугун);

цветные металлы и их сплавы.

Металлы имеют свойства, которые объединяют их в единую группу: пластичность; теплопроводность; электропроводность; отражательная способность; кристаллической строение.

Совокупность этих свойств обусловлена особым типом межатомной связи - металлической связью. Сущность данной связи состоит в том, что электроны электронного газа в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла. Металл состоит из правильно расположенных в пространстве ионов и перемещающихся между ними атомов.

1.1.2 Кристаллической строение металлов

Существует два типа твердых веществ.

Кристаллические - атомы расположены по геометрически правильной схеме. Эти тела остаются твердыми до определенной температуры, при которой переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Аморфные вещества

Атомы расположены хаотично. При нагреве размягчаются (становятся вязкими) в большом интервале температур, а затем, переходят в жидкое состояние.

Общим свойством металлов является их кристаллическое строение, т.е. определенное, закономерное расположение атомов в пространстве - кристаллические решетки.

Наиболее распространенными решетками являются:

ОЦК - объемноцентрированный куб.

ГЦК - гранецентрированный куб (кроме атомов в узлах расположены атомы на гранях).

ГП - гексогональная плотноупакованная.

Некоторые металлы при различных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку, так железо при t < 911С - ОЦК, при t > 911С - ГЦК.

Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизм (аллотропия). Полиморфные модификации принято обозначать ??????? и т.д.

Температура превращения кристаллических модификаций называется температурой полиморфных превращений.

Вследствие полиморфных превращений происходят изменения в структуре, что получило название перекристаллизация. Явление полиморфизма приводит к изменению свойств металла и является основной для теории термической обработки.

Известно, что в аморфных телах атомы расположены хаотично, что приводит к одинаковости их свойств по всем направлениям. Это явление получило название изотропия.

Неодинаковость же плотности атомов в кристаллах приводит к разности свойств в зависимости от направления. Явление неодинаковости свойств в различных направлениях называют анизотропией.

Разница свойств по различным направлениям может достигать весьма высоких значений, так у кристаллов железа такое различие составляет до двух раз.

Однако анизотропия характерна для монокристаллов. Реальные же металлы и сплавы состоят из совокупности монокристаллов, причем различно ориентированных.

Различная ориентировка монокристаллов приводит к изотропности.

Однако в случае обработки металлов давлением структура приобретает направленный характер ; что естественно приводит к различию свойств по направлениям.

Материал становится анизатропным. Структура, имеющая определенную ориентировку - называется текстурой. Анизотропия применяется при конструировании машин.

1.1.3 Дефекты строения кристаллических тел

Реальные металлы и сплавы в обязательном порядке имеют дефекты строения:

Точечные дефекты.

Линейные дефекты.

Поверхностные дефекты.

Точечные дефекты - характеризуются весьма малыми размерами в трех измерениях. Величина этих дефектов не превышает нескольких атомных расстояний. Различают три вида дефектов.

Вакансии - пустой узел кристаллической решетки.

Дислоцированные атомы - атомы, находящиеся в междуузельных промежутках.

Примесные атомы - атомы других элементов, находящиеся в кристаллической решетке.

Точечные дефекты фактически не влияют на механические свойства, но повышают электросопротивление.

Линейные дефекты - характеризуются малыми размерами в двух направлениях, но имеют значительную величину в третьем направлении.

Существует два вида линейных несовершенств:

краевые дислокации;

винтовые дислокации.

Дислокация - линейное несовершенство кристаллической решетки.

Краевая дислокация - представляет собой край «линией полуплоскости» в решетке.

Винтовая дислокация образуется неполным сдвигом кристалла по плоскости Q.

Наиболее важным параметром дислокационной теории является плотность дислокаций.

= l / V,

где l - суммарная длина дислокаций (см);

V - единица объема кристалла (см³).

Плотность дислокаций после пластической деформации может достигать до 10¹² см^-2. Превышение этой плотности приводит к появлению трещины.

Дислокации играют значительную роль:

в фазовых превращениях;

вдоль дислокаций значительно увеличивается скорость диффузии;

дислокации служат местом концентрации примесей;

в микроэлектронике у пленочных кристаллов выполняют роль проводящих каналов;

оказывают очень значительное влияние на прочностные свойства металлов и сплавов.



зона прочности буферных «усов», полученных выращиванием кристаллов. Сталь: _Т = 13000 МПа (теоретическая прочность), _Ф = 250 МПа (фактическая прочность).

Зона падения прочности. Плотность дислокаций ограничена, что позволяет легче происходить процессам сдвига (отожженная сталь).

Зона роста прочности. Плотность дислокаций возрастает и они возникают в разных плоскостях и направлениях. При перемещении дислокаций в следствии деформирования они мешают перемещаться друг другу (заклиниваются) и происходит их аннигиляция (уничтожение). Повышение плотности приводит ко все большему затруднению движения и металл упрочняется.

Препятствия к движению дислокаций создаются: 1) Ведение в металл других элементов. 2) Наклепом. 3) Термообработкой. 4) Снижением температуры его работы.

Таким образом, увеличение прочности металлов можно достичь двумя путями:

Получением сверхчистых материалов с идеальной кристаллической решеткой.

Увеличением числа несовершенств структуры, что будет препятствовать перемещению дислокаций.

Поверхностные дефекты - характеризуются малой толщиной и значительными размерами в двух измерениях. Как правило это место стыка двух кристаллических решеток. Поверхностные дефекты это: границы зерен, границы фрагментов внутри зерен, границы блоков внутри фрагментов.

Поверхностные дефекты, как и дислокации, в значительной степени влияют на механические свойства металлов и сплавов.

Границы зерен. Неупорядоченное строение границы зерна приводит к скоплению дислокаций и увеличению их прочности, что препятствует движению (перемещению). С одной стороны дефекты на границах улучшают свойства материала, а с другой, при превышении некоторой величины могут снижаться (например чугун - графит).

Величина зерна. Снижение величины зерна приводит:

к увеличению предела текучести и предела прочности;

к увеличению пластичности и вязкости.

1.1.4 Кристаллизация металлов

Кристаллизация - процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Различают два вида кристаллизации.

Первичная - переход металла из жидкого (парообразного) состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.

Вторичная - образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

1.1.6 Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из 2-х элементарных процессов:

зарождение центров кристаллизации;

роста кристаллов из этих центров.

Рассмотрим схематично кристаллизацию металлов.

При температуре близкой к температуре затвердевания образуются группировки атомов (фруктуации). Из части этих фруктуаций образуются центры кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации в единицу времени

Вокруг центров начинают расти кристаллы и одновременно образуются новые центры кристаллизации.

Увеличение общей массы затвердеваемого металла происходит за счет возникновения новых центров кристаллизации и за счет роста кристаллов.

Конец роста кристаллов - образование структуры металла. Как видно, зерна имеют неправильную форму. Это связано со взаимным и одновременным ростом кристаллов

Известно, что дисперсность структуры в значительной степени зависит от скорости кристаллизации. В свою очередь скорость кристаллизации слагается из двух слагаемых:

скорость зарождения центров кристаллизации (С3);

скорость роста кристаллов (СР) .

При малом переохлаждении (Т₁) скорость роста кристаллов велика по сравнению со скоростью зарождения и в этом случае структура будет представлена крупными кристаллами.

При значительном переохлаждении скорость зарождения центров выше, чем скорость роста и поэтому металл будет иметь мелкозернистую структуру

1.2.1 Свойства металлов и сплавов

Металлы и сплавы обладают (должны обладать) рядом свойств. В настоящее время различают:

физические свойства - определяют поведение металлов и сплавов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К ним относятся: плотность, теплоемкость, температура плавления, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность;

химические свойства - способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами. К химическим свойствам относятся: сопротивляемость окислению, сопротивляемость проникновению газов и активных веществ. Примером химического взаимодействия является коррозия;

технологические свойства - способность металлов подвергаться горячей и холодной обработке. В комплекс этих свойств входят технологичность: при сварке, обработке резанием, обработке давлением;

механические свойства - способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием различных нагрузок, температур, сред. К механическим свойствам относятся: твердость, прочность, пластичность, упругость, вязкость, износостойкость. Эти свойства являются определяющими в системе всех свойств.

1.2.2 Упругая и пластическая деформация

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. Деформации бывают двух типов:

упругие;

пластические.

Упругой деформацией называют деформацию, которая исчезает после снятия нагрузки, ранее прилагаемой к телу.

Пластической деформацией - называют деформацию, которая сохраняется после снятия нагрузки.

Для упругой деформации характерны небольшие нагрузки. При значительных нагрузках пластические деформации могут перерастать в появление трещин и, как следствие, в разрушение.

Упругая и пластическая деформации имеют достаточно глубокие различия (даже принципиальные) в своей физической сущности.

1.2.2.1 Упругая деформация

Приложения нагрузки Р приводит к смещению атомов кристаллической решетки, однако, нагрузка в данном случае столь мала, что разрыва межатомных связей не происходит. Вследствие чего после снятия нагрузки Р сместившиеся атомы под действие атомарных сил возвращаются в исходное положение. Тело принимает первоначальную форму и размеры.

Из сказанного следует, что:

упругие свойства тела определяются силами межатомного взаимодействия;

упругая деформация не оказывает заметных остаточных явлений в структуре и свойствах металла.

1.2.2.2 Пластическая деформация

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. Процесс пластический деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по плоскостям скольжения

Из рисунка видно, что после снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации.

Важную роль в свойствах металлов играет пластичность.

Пластичность - способность металлов пластически деформироваться.

Благодаря пластичности: осуществляется обработка металлов давлением; перераспределяются более равномерно локальные напряжения, что уменьшает склонность металла к разрушению.

Другим случаем пластического деформирования является двойникование.

Как и скольжение, двойникование осуществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальной части несдвинутой части

Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по каким-либо причинам затруднено. Деформация двойникованием наблюдается при низких температурах и высоких скоростях нагружения

Величина нагрузок (напряжений) необходимых для осуществления пластической деформации зависит от двух факторов: 1) скорости деформирования; 2) величины температуры.

При увеличении скорости деформирования достижение заданной деформации требует приложения больших нагрузок. При увеличение температуры значение нагрузок деформирования снижается.

1.2.3 Диаграмма растяжения металлов

Испытание на растяжение - самый простой и наиболее распространенный метод испытания металлов на прочность.

При растяжении образца с площадью поперечного сечения F₀ и длиной l₀ строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка (Р) - удлинение образца (l) (Рисунок 1)

Рисунок 1- Диаграмма растяжения пластичного металлла

На диаграмме выделяют три участка:

Упругая деформация - нагружение производится до Р_упр.

Область равномерной пластической деформации - от Р_упр до Р_max.

Область сосредоточенной пластической деформации (область развития трещины) - от Р_max до Р_к.

Таким образом, напряжение - это отношение нагрузки прилагаемой к телу к площади его поперечного сечения:

, (МПа).

Относительная деформация - отношение разности конечной и начальной длины образца к начальной длине:

,

где l_к - конечная длина образца (после деформации);

l₀ - начальная длина образца (до деформации).

Однако в практике изучения механических свойств металлов принято рассматривать диаграмму растяжения в координатах напряжение - относительные деформация (Рисунок 2).

Рисунок 2- Диаграмма растяжения

_пл (предел пропорциональности) - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает такого значения, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформации увеличивается на 50% от своего значения на линейном угловом участке.

_пу (предел упругости) - напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% от первоначальной длины образца.

_0,2 (предел текучести) - напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%. За физический предел текучести принимают напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки. Его чаще всего выбирают в качестве одного из показателей прочности.

_в (предел прочности) - временное сопротивление разрыву.

Начиная с напряжения, отвечающего значению _в деформация сосредотачивается на одном участке образца, где появляется местное суженое поперечного сечения (так называемая шейка). При этом нагрузка падает и в некоторый момент времени образец разрушается (точка С рисунок 2).

1.2.4 Изменение структуры металлов при пластическом деформировании

Пластическая деформация поликристаллических тел протекает также как и в монокристалах путем скольжения или двойникования. Формоизменение металла происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь ввиду, что зерна ориентированы неодинаково, поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно во всем объеме поликристалла.

На полированных образцах под микроскопом можно видеть линии скольжения на предварительно полированных образцах (Людерса-Чернова). Эти линии в пределах отдельных зерен ориентированы одинаково.

При больших степенях деформации кристаллиты меняют свою форму. Так до деформации зерно имело округлую форму, после деформации, в результате смещения по плоскостям скольжения, зерна вытягиваются в направлении действующей силы, образуя волокнистую структуру (Рисунок 3).

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры деформации.

Рисунок 3

Текстуирование зерен зависит от ряда факторов:

от степени деформации;

природы металла;

вида деформации, обработки давлением.

1.2.5 Разрушение металлов

При высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением.

Разрушение состоит из двух стадий:

зарождение трещины:

распространение трещины через все сечения изделия.

Разрушение твердого тела - это процесс разделения его на части под действием нагрузок, которые могут сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями.

На атомарном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей с образованием двух поверхностей.

1.2.6 Факторы, определяющие характер разрушения

Различают внутренние и внешние факторы.

Внешние факторы: температура; тип надреза или концентратора напряжений; условия и скорость нагружения; характер окружающей среды; форма и размеры детали.

Внутренние факторы: тип кристаллической решетки; химический состав; структура и размер зерна.

1.2.7 Наклеп, возврат и рекристаллизация

После снятия нагрузки большей предела текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести и снижается способность к пластическому деформированию, т.е. металл упрочняется, наклепывается.

Наклеп - упрочнение металла под действием пластической деформации. Однако, в настоящее время установлено, что после пластической деформации изменяются не только механические свойства металла, но и химические и физические. Поэтому в наиболее широком смысле слова наклеп - это изменение физико-механических свойств под действием пластической деформации.

С ростом степени пластической деформации механические свойства (НВ, _в, _т), характеризующие сопротивляемость деформации возрастают, а способность к пластической деформации () падает (Рисунок 37)

Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плотности дислокаций. Кроме того, вследствие, наклепа происходит дробление структуры и образуется точечные несовершенства, что препятствует перемещению дислокаций.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Изменение механических свойств от степени деформации

Пластическая деформация, как уже указывалось, приводит к изменению физико-химических свойств. Наклепанный металл имеет: меньшую плотность, повышенное электросопротивление , пониженную коррозионную устойчивость.

Неравновесная структура (текстура), созданная холодной деформацией устойчива у большинства металлов при t = 25С. повышение температуры ускоряет перемещение дислокаций, их перераспределение и уменьшение их количества.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяются на две стадии:

возврат;

рекристаллизация.

Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии.

Возвратом называют все изменения структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры. При возврате происходит снижение внутренних напряжений, при сохранении текстуры. Возврат происходит при относительно низких температурах (0,3 Т_плавл.).

Рекристаллизация - зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов. В результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Температура рекристаллизации - наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. По А.А.Бочвару:

Т_рекр = а, Т_пл.

где а обычно принимают (0,30,4) Т_плавл.

Рекристаллизация состоит из двух процессов (Рисунок ):

первичной рекристаллизации;

собирательной рекристаллизации.

В результате первичной рекристаллизации наклеп полностью снижается, и свойства металла становятся близкими к исходным (Рисунок 5).

Рисунок 5

Собирательная рекристаллизация состоит в росте образовавшихся зерен.

ЛЕКЦИЯ 2

Основы теории сплавов.

Сплавы на основе железа

Понятие о металлических сплавах

Диаграммы состояния двойных сплавов

Методы исследования строения металлов и сплавов

Диаграмма состояния железо цементит (углерод)

Классификация углеродных сталей

Стали обыкновенного качества, качественные конструкционные, высококачественные и особо высококачественные, их маркировка и применение

Углеродистые инструментальные и быстрорежущие стали

Чугунные: белые, серые, ковкие, высокопрочные

Их структура, маркировка, свойства и применения

2.1 СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

2.1.1 НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Металлический сплав - соединение двух или нескольких элементов, отличающихся металлическими свойствами. Иначе сплав - вещества, полученные сплавлением нескольких химических элементов (химических соединений).

Компоненты - элементы и химические соединения, образующие сплав. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т.д.

Фаза - однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела. В сплаве различают четыре вида фаз:

- жидкие растворы;

- твердые чистые металлы;

- твердые растворы;

- химические соединения.

В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

В жидком состоянии компоненты обычно неограниченно растворимы и образуют жидкий раствор.

В твердом состоянии компоненты могут образовывать:

- механические смеси;

- химические соединения;

- твердые растворы.

Твердые растворы - однофазные системы, которые образуются при условии, что компонентом растворителем является чистый металл или химическое соединение. Твердые растворы образуются при проникновении атомов растворимого элемента в кристаллическую решетку растворителя. Различают растворы:

- замещения;

- внедрения;

- вычитания.

Твердый раствор замещения образуется при замещении части атомов основного металла - растворитель не заштрихованные кружки, атомами растворенного - заштрихованные кружки.

Растворы внедрения образуются при размещении атомов растворенного элемента между узлами кристаллической решетки.

Растворы вычитания образуются на основе химических соединении - главное отличие от растворов замещения и внедрения.

Твердые растворы принято обозначать греческими буквами б, в, г, д и т.д.

Химическое соединение - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов. Химическое соединение образуется, когда атомы различных элементов сплава притягиваются между собой и между ними имеется электрохимическое различие.

В твердом состоянии компоненты наряду с твердыми растворами и химическими соединениями образуют механические смеси.

Механическая смесь получается тогда, когда компоненты не способны взаимно растворяться в твердом состоянии или неспособны образовывать химические соединения.

2.1.2 ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава и показывает превращения, протекающие в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграмма состояния показывает устойчивые, равновесные состояния сплавов, обладающие при данных условиях минимальным запасом свободной энергии.

Диаграмма состояния позволяет установить режимы термической обработки, оптимальные температурные интервалы литья и обработки давлением, структуру при изменении концентрации и температуры. С ее помощью определяют температуру плавления и полиморфных превращений в сплаве, количество и вид фаз, имеющихся в сплаве данного состава при данной температуре, а также количественное соотношение этих фаз в сплаве.

Диаграммы строят экспериментально, термическим методом. Строят кривые охлаждения и затвердевания сплава и по остановкам и перегибам на этих кривых (критические точки), обусловленных тепловыми эффектами превращений определяют температуру превращений (Рисунок 6).

Критическая точка - температура, при которой происходит превращения (фазовые изменения).

Экспериментально построенные диаграммы проверяют по правшу фаз. Закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз Гиббса.

Рисунок 6

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз.

С = К+1-Ф,

где К - число компонентов;

Ф - число фаз;

С - число степеней свободы (вариантность системы).

Число степеней свободы - это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

2.2 Диаграмма состояния железо-цементит

2.2.1 Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо и углерод - элементы полиморфные.

Железо - температура плавления 1539, имеет две модификации и .

А) Модификация Fe существует при t = 911С и при температуре от 1392 до 1539С, имеет решетку ОЦК. Важной особенностью Fe является ферромагнитизм ниже t = 768С. Эта точка называется точкой Кюри.

Б) Модификация Fe существует в интервале температур от 911С до 1392С и имеет решетку ГЦК. Fe - парамагнитно.

Углерод - существует в двух модификациях: а) графит; б) алмаз. При нормальных условиях графит стабилен, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию (метастабильное состояние - относительно устойчивое состояние тела, системы).

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой: 1) жидкий раствор; 2) феррит; 3) аустенит; 4) цементит; 5) графит.

А) Феррит - твердый раствор углерода в -железе. Обозначают Ф или . Различают низкотемпературный феррит и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в феррите весьма мала и составляет 0,02% при температуре 727С. При температуре 720С в феррите растворяется около 0,006% С. Столь низкая растворимость углерода в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в кристаллической решетке Fe. Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: = 300 Мпа, = 40%, = 70%, НВ 80 - 100.

Б) Аустенит - твердый раствор углерода в -железе. Обозначается А или . Предельная концентрация углерода в аустените составляет 2,14%. Наличие большего количества углерода в аустените объясняется большей размерностью пор в -железе - решетка ГЦК. Аустенит пластичен, но обладает большей чем феррит прочностью. НВ 160 - 200.

В) Цементит - химическое соединение углерода с железом Fe₃C (или карбид железа). Обозначается - Ц. содержит 6,67% углерода. При нормальных условиях твердость достигает НВ 800, однако цементит обладает очень высокой хрупкостью. При нагреве подвержен распаду.

Г) Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок. НВ 8, _в = 20 Мпа при t = 20С.

2.2.2 Диаграмма состояния железо-цементит

Первые исследования, относящиеся к диаграмме состояния железо-углерод, положены Д.К.Черновым.

Диаграмму железо-цементит изображают обычно для соединения Fe₃C, содержащего 6,67% С. сплавы с большим содержанием углерода очень хрупки и практического применения не имеют.

Приступим к рассмотрению самой диаграммы.

Диаграмму железо-цементит называют метастабильной, диаграмму железо-графит стабильной.



Линия АСД соответствует линии ликвидус, линия АЕСF - линии солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536С), точка Д - температуре плавления цементита (1252С). Точка G соответствует полиморфным превращениям железа ( в ). Диаграмма состояния железо-углерод имеет линии эвтектического и эвтектоидного превращений. По линии ЕСF (t = 1147С) происходит эвтектическое превращение:

Ж А_Е + Ц_F

Образуемая эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит - механическая смесь аустенита и цементита (до 727С). Содержание углерода - 4,3%. Ледебурит отличается высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.

По линии PSK происходит эвтектоидное превращение.

А_S Ф_Р + Ц_К

Образующийся эвтектоид называется перлитом. Содержание углерода 0,8%. Перлит оказывает весьма значительное влияние на свойства стали. перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурой.

_в = 900 МПа; 16%; НВ 180220

Рассмотрим часть диаграммы, характеризующую сталь.

Сплав I содержит около 0,5% углерода. Образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1-2. Состав аустенита меняется по линии солидус АЕ, состав жидкой фазы по линии ликвидус АС. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается и до точки 3 структурных изменений не происходит - идет охлаждение аустенита. В точке 3 начинается выделение феррита. Концентрация углерода в феррите меняется по линии GP, а концентрация углерода в аустените по линии GS. В точке 4 состав аустенита соответствует точке S, т.е. эвтектоидному составу. При температуре 727С произойдет эвтектоидное превращение с образованием перлита А_S Ф_Р + Ц_К. структура стали состоит из феррита и цементита.

Сплав II, содержащий 0,8% С, по составу соответствует точке S. Аустенит не испытывает превращений при охлаждении до точки S, а при полном охлаждении структура стали с содержанием 0,8% С будет состоять только из перлита.

Сплав III. Углерода содержится более 0,8%, но менее 2,14%. До точки 3 превращения в этом сплаве такие же, как и в сплаве I. При охлаждении от точки 3 до точки 4 из аустенита выделяется избыточный углерод с образованием цементита вторичного. На линии PSK при температуре 727С происходит эвтектоидное превращение и аустенит превращается в перлит. Поэтому структура сплава при полном охлаждении состоит из перлита и вторичного цементита.

Часть диаграммы, характеризующая чугуны.

При первичной кристаллизации сплавов с углеродом более 2,14% происходит эвтектическое превращение, сопровождающееся образованием из жидкости, содержащей 4,3% С, ледебурита.

Сплав I. Кристаллизация начинается в точке 1 выделением аустенита из жидкого раствора и заканчивается в точке 2. Охлаждаясь, от точки 1 до точки 2 состав аустенита меняется по линии солидус, а концентрация углерода в жидкости по линии ликвидус. В точке 2 при t = 1147С состав жидкости соответствует точке С, т.е. концентрация углерода равна 4,3%. При 1147С происходит эвтектическое превращение Ж_С А_Е + Ц_F. Охлаждение от точки 2 до точки 3, из аустенита выделяется вторичный цементит. Структура сплава при охлаждении состоит из перлита и ледебурита.

Сплав II. Содержит 4,3% углерода и при эвтектической температуре он превращается из жидкости в ледебурит. При температуре 727С происходит перлитное превращение аустенита. Сплав при полном охлаждении имеет структуру ледебурита.

Сплав III. Кристаллизация начинается с образования кристаллов первичного цементита. Первичный цементит выделяется из жидкости при охлаждении от температур 1-2. При температуре 1147С происходит эвтектическое превращение. При полном охлаждении структура сплава состоит из ледебурита и первичного цементита.

2.3 КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Классификация углеродистых сталей.

Углеродистые стали классифицируют по: а) структуре; б) способу производства; в) способу раскисления; г) качеству.

а) По структуре:

доэвтектоидная сталь - углерода до 0,8%, структура - феррит + сталь;

эвтектоидная - углерода 0,8%, структура - перлит;

заэвтектоидная - углерода от 0,8 до 2,14%, структура - перилт + цементит.

б) По способу производства: мартеновская, кислородно-конверторная и электросталь.

в) По способу раскисления: кипящие, полуспокойные, спокойные.

г) По качеству: обыкновенного качества (S 0,06%, Р 0,04%); качественные (S 0,04%, Р 0,04%); повышенного качества (S 0,03%, Р 0,03%).

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и номерами от 0 до 6. Пример: Ст0 … Ст6. Степень раскисления обозначают буквами: сп - спокойная; пс - полуспокойная; кп - кипящая. Буквы ставят за цифрами. Различают три группы сталей: А - поставляют только по механическим свойствам, Б - поставляют с гарантируемым химическим составом, В - поставляют с гарантируемым химическим составом и механическими свойствами.

В марках группы А буква не указывается. Примеры: Ст2кп - сталь группы А, кипящая, С от 0,09 до 0,15%; ВСт5сп - сталь группы В, спокойная, С от 0,28 до 0,3%, применяют для получения проката, поковок, строительных конструкций и для изготовления малоответственных деталей.

Качественные углеродистые стали. К ним предъявляются более жесткие требования по химическому составу и примесям. S 0,04%, Р 0,04%. Маркируют эти стали цифрами 08; 10; 15 … 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, с указанием степени раскисленности. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается. Пример: Сталь 15 - С - 0,123 … 0,19%, спокойная сталь; Сталь 08пс - С - 0,05 … 0,11%, полуспокойная.

По содержанию углерода качественные стали делятся на: а) низкоуглеродистые - С до 0,25%; б) среднеуглеродистые - С от 0,3 до 0,55%; в) высокоуглеродистые - С от 0,6 до 0,85%. Применяют для сварных конструкций, ответственных деталей (после термообработки), деталей, работающих в тяжелых условиях.

Стали повышенного качества (высококачественные). Характеризуют очень низким содержанием серы и фосфора. Получение этих сталей достаточно сложно, поэтому обычно высококачественными сталями бывают легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.

Пример: У10А - С 1,0%, А - высококачественная сталь, У (ставится вначале) - углеродистая.

Эти стали используют для изготовления инструмента. Автоматные стали - используют для изготовления малонагруженных деталей (гайки, болты). Хорошо обрабатываются резанием из-за повышенного содержания Р 0,15% и S 0,3%.

Прежде чем перейти к ознакомлению с другими видами сталей, необходимо ознакомиться с легированием сталей.

Легирование производится с целью изменения свойств и строения стали. легирование осуществляется введением в сталь легирующих элементов, которые улучшают свойства стали. причем разные элементы могут сообщать разные свойства.

Маркировка легированных сталей. Маркируются стали буквенно-цифровым методом, показывающим химический состав стали. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Х - хром; Н - никель; Г - марганец; С - кремний; М - молибден; В - вольфрам; Ф - ванадий; Т - титан; Д - медь; Ю - алюминий; Б - ниобий; Р - бор; Ц - цирконий; К - кобальт; А - азот (А - автоматные, А - азот, А - высококачественные); Ч - редкоземельные металлы. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процента, если цифры нет, то элемента около 1%. Цифра до букв указывает на примерное содержание углерода. Особенность: Мо; W; V; Тi - содержатся не в целых долях, а в десятых.

Пример: 20ХН3А - 0,20% С, 1% Сr, 3% Ni - высококачественная.

Особовысококачественные стали имеют в конце обозначения букву Ш - 30ХГС-Ш. Буквы Ш и Э в начале обозначения означают шарикоподшипниковые и электротехнические - соответственно.

2. Строительные стали (арматура, строительные конструкции). Основным требованием к строительным сталям является свариваемость. Поэтому во избежание появления трещин после сварки количество углерода ограничивается до 0,25%. Необходимая прочность достигается за счет легирования кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью в весьма малых количествах.

Примеры сталей: обыкновенного качества Ст2, Ст3; низколегированные 14Г2. 14ХГС, 15ХСНД; стали с добавками ванадия и ниобия 17Г2АФБ, 25Г2С, 30ХГСА - используют для предварительно напряженного бетона.

3. Цементуемые стали. Для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок и поверхностного износа, применяют стали с содержанием углерода не более 0,2%, подвергая их цементации, закалке и низкому отпуску.

Различают три группы цементуемых сталей: а) с неупрочняемой сердцевиной - стали 10, 15, 20; б) со слабоупрочняемой сердцевиной - 15Х, 20Х; в) с сильноупрочняемой сердцевиной - 12Х2НЧА.

4. Улучшаемые стали - к этим сталям относят среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,5% углерода и не более 5% легирующих элементов, которые используются после термообработки - «улучшения». Улучшение - закалка с последующим высоким отпуском. Термообработкой (улучшением) достигается: а) структура сорбита; б) высокая прочность, ударная вязкость; в) низкая чувствительность к надрезам; г) хорошая прокаливаемость. Примеры - стали марок 35, 40, 45; стали марок 30Х. 40Х.

5. Высокопрочные стали - стали с пределом прочности более 1500 МПа. Значительная прочность достигается методами термообработки, термомеханической обработки, использованием новых высокопрочных материалов - мартенсито-стареющих сталей и ПНП-стали (ПНП - пластичность, наведенная превращением).

Высокопрочные мартенсито-стареющие стали имеют высокое значение прочности (_в = 2000 МПа) в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью количество углерода не превышает 0,03%. В качестве легирующих элементов используют Ni (основной), Ti, Аl, Mo, Nb Со. Наиболее широкое распространение получила сталь 03Н18К9М5Т. Стали применяют в самолетостроении, ракетостроении.

ПНП-стали - стали аустенитного класса. Марки закрыты: углерода 0,3; кроме углерода Cr, Ni, Mo, Mn, Si. Прочность достигает 8-10. 8-10, 4, 1-1,25, 2 (соответственно) до 1800 МПа и выше.

6. Рессорно-пружинные стали. Требования, предъявляемые к рессорно-пружинным сталям: а) высокий предел упругости; б) высокий предел выносливости; в) сохранение упругих свойств в течение длительного времени.

Пластические деформации в упругих элементах не допускаются.

Высокие упругие свойства обеспечиваются рядом факторов: 1) содержание углерода 0,5-0,7%; 2) троститная структура, которую обеспечивает закалка и средний отпуск; 3) часто легирование кремнием и марганцев, реже другими элементами.

Свойства этих сталей: углеродистых - _в = 1000-1200 МПа, = 5-8%; легированных - _в = 1300-18-МПа; = 5-8%.

Примеры рессорно-пружинных сталей - 65; 65Г; 60СГ.

7. Подшипниковые стали. Подшипники работают в условиях высоких удельных знакопеременных нагрузок. Отсюда требования к подшипниковым сталям: 1) высокий предел контактной усталости; 2) износостойкость; 3) высокая твердость; 4) минимальное содержание дефектов в сплаве.

Стали маркируют буквой Ш - подшипниковая, Х - хромистая, и цифрой, указывающей содержание хрома в десятых долях процента углерода - около 1%. Примеры сталей: ШХ4, ШХ15СГ (т.е. иногда легируют и другими элементами). Термообрабатываются: закалка в масле и последующий низкий отпукск, твердость при этом НRС62. (Коротко о космосе, полых шарах, газах и упругости).

8. Износостойкая аустенитная высокомарганцовистая сталь. К этим сталям относятся сталь 110Г13П или сталь Готфильда. Изготавливаются детали (литьем), работающие в условиях износа и ударных нагрузок - траки гусеничных машин, зубья ковшей экскаваторов. Хорошо наклепывается НRС до 50-55. (Тюремные решетки). Состав - 0,9-1,4 С; 11,5-15 Mn; 0,5-1,0 Si.

2.4 КОНСТРУКЦИОНЫЕ ЧУГУНЫ

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода, называют чугунами. Наличие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его использование в качестве литейного сплава. В результате различных условий кристаллизации в структуре чугунов углерод может находиться как в связанном, так и в свободном состоянии (в виде графита). Наличие углерода в связанном или свободном состоянии определяет название чугунов (излом чугунов, где углерод связан - носит белый, блестящий вид; излом чугунов, где углерод находится в несвязанном состоянии - серый): белый, половинчатый, серый. Чугуны, так же как и стали, подвергают легированию. Легирование осуществляется следующими металлами: хромом, кремнием, алюминием, марганцем и никелем.

2.4.1 СЕРЫЕ ЧУГУНЫ

Серые чугуны представляют собой группу чугунов, отличающихся друг от друга формой графитовых включений и свойствами. Различают три группы чугунов:

1 серый чугун - пластинчатый графит;

2 ковкий чугун - хлопьевидный графит;

3 высокопрочный чугун - шаровидный графит.

2.4.2 СЕРЫЙ ЧУГУН

Эти чугуны имеют достаточно сложный химический состав и по сути представляют сплав Fe-C-Si при наличии постоянных примесей: Mn, P, S. Содержание этих элементов находится в следующих пределах: 2,23,7 % С; 13 % Si; 0,21,1 % Mn; 0,020,3 % Р и 0,020,15 % S. В небольших количествах также могут содержаться Cr, Ni и Cu. Эти элементы влияют на:

1) условия графитизации;

2) количество и дисперсность графитовых включений;

3) структуру металлической основы, что во многом определяет свойства чугунов.

Углерод - оказывает определяющее влияние на качество чугуна. Увеличение концентрации углерода приводит к увеличению графитовых включений и снижению механических свойств, однако, литейные свойства улучшаются.

Кремний - способствует графитизации (выделению графита в процессе остывания отливки).

Марганец - затрудняет графитизацию и улучшает свойства чугунов.

Фосфор - увеличение концентрации приводит к улучшению литейных свойств, но значительно возрастает твердость и хрупкость.

Сера - ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Хром - затрудняет графитизацию и повышает склонность к отбелу.

Медь и никель - способствуют графитизации.

Наряду с химическим составом, большое влияние на свойства и структуру чугуна оказывает технологический фактор - скорость охлаждения. Уменьшение скорости охлаждения приводит к увеличению количества графита и уменьшению химически связанного углерода.

В микроструктуре серого чугуна (а также ковкого и высокопрочного) следует различать металлическую основу и включения графита (т.е. микроанализ таких чугунов должен проводиться двояким путем - по графиту и по металлической матрице).

По структуре чугуны делятся на: ферритный, структура - феррит + графит (рисунок 58. а); ферритно-перлитный, структура - перлит + феррит + графит (рисунок 58. б); перлитный, структура - перлит + графит.

Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической матрицы и характера графитных включений (формы, размеров и количества). Причем решающее значение в данном случае имеют графитовые включения. С увеличением в структуре количества перлита возрастают значения твердости, прочности и износостойкости.

Графитовые включения действуют в чугуне как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую матрицу и ослабляющие ее (графит обладает весьма низкими механическими свойствами). Чем крупнее графитовые полости и менее равномерно распределены по объему, тем меньше прочность чугуна. При растяжении по концам графитовых включений формируются очаги разрушений. Поэтому серый чугун с пластинчатым графитом плохо сопротивляется растяжению. Гораздо меньшее влияние графита на механические характеристики проявляется при изгибе и сжатии. Например, прочность чугуна при сжатии в 4 раза выше, чем при растяжении.

Наличие графита обеспечивает чугуну и ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при резании, повышает износостойкость, придает демпфирующую способность и в большей степени снижает чувствительность к дефектам поверхности (надрезам).

Этот вид чугунов имеет очень широкий диапазон применения от малонагруженных деталей типа фланцев, крышек до деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках - блоки цилиндров, станины станков.

Для улучшения свойств серых чугунов их подвергают модифицированию (введение в жидкий чугун специальных добавок). В качестве модификаторов используют ферросилиций и силикокальций. Наиболее сильным модификатором является магний. Модифицированные чугуны применяют для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и тяжелых условиях износа: гильзы цилиндров, шестерни, коленчатые валы.

Маркируются серые чугуны буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, показывающими уменьшенный в 10 раз значение предела прочности на растяжение в МПа. Пример: СЧ 20 - серый чугун с пределом прочности 200 МПа.

2.4.3 КОВКИЙ ЧУГУН

Ковкий чугун - чугун, в котором графит имеет хлопьевидную форму. Хлопьевидный графит располагается более компактно и в меньшей мере, по сравнению с пластинчатым графитом, выполняет роль надрезов, поэтому графитовые полости в меньшей мере ослабляют металлическую матрицу. Ковкий чугун имеет более высокие показатели механических свойств по сравнению с серым чугуном.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритные и перлитные (Микроанализ в ряде случаев проводится по графиту, так же как и у серых чугунов).

Получают ковкий чугун методом отжига из белого доэвтектического чугуна. При этом толщина стенок отливки не должна превышать 50 мм. Отжиг для получения ферритного чугуна проводится в несколько стадий (рисунок 60).

Двустадийный отжиг (режим 1) позволяет произвести полный распад цементита и получить структуру феррит+графит отжиг. Отжиг для получения перлитного ковкого чугуна проводят по режиму 2 причем охлаждение проводится после первой стадии на воздухе. При этом не происходит распада цементита (эвтектоидного) и структура чугуна состоит из перлита и графита отжига.

Существуют методы ускоренного отжига белого чугуна на ковкий. Отжиг проводят после предварительной закалки, используют легирование алюминием и бором, применяют нейтральную или защитную среду. В этом случае продолжительность отжига сокращается до 2460 часов.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ (ковкий чугун) и цифрами, обозначающими уменьшенное в 10 раз минимальное значение предела прочности при растяжении, МПа и относительного удлинения, %. Пример: КЧ 37-12 - ковкий чугун с пределом прочности 370 МПа и относительным удлинением не менее 12%.

Ковкие чугуны обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности. Применяют их для изготовления деталей, работающих в условиях износа при воздействии ударных и знакопеременных нагрузок, также для деталей, требующих высокой прочности.

2.4.4 ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН

Высокопрочными называют чугуны, имеющие графит в шаровидной форме. Их получают путем модифицирования магнием (0,030,07 %) или введением магниевых лигатур (во избежание пироэффекта).

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,03,6 % С; 1,12,9 % Si; 0,30,7 % Mn; до 0,2 % S и до 0,1 % Р.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.

Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита. В нем допускается до 20 % перлита.

Структура перлитного чугуна: сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит.

Шаровидный графит менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый и потому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью.

Марка высокопрочных чугунов состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления, например ВЧ 35 - _В = 350 МПа; ВЧ 80 - _В = 800 МПа.

Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов; кузнечно-прессовое оборудование; в турбостроении - корпус паровой турбины; в дизеле-, тракторо- и автомобилестронии - коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок, для повышения прочности - закалку и отпуск при 500600 С, для увеличения пластичности - отжиг, способствующий сфероидизации перлита.

ЛЕКЦИЯ 3

Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов.

Термическая обработка стали. Превращение в стали при равновесном нагреве и охлаждении. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Основные превращения, происходящие в стали при закалке и отпуске. Виды термической обработки стали. Химико-термическая обработка.