Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении



Содержание

1. Понятие о внутреннем строении металлов и сплавов

1.1 Дефекты строения реальных кристаллов

1.2 Процесс кристаллизации металлов

2. Основные свойства металлов и сплавов

3. Стали. Чугуны

4. Цветные металлы и сплавы

Список литературы



1. Понятие о внутреннем строении металлов и сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собои? кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллическои? решеткои?.

В кристаллическои? решетке можно выделить элемент объема, образованныи? минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве по трем непараллельным направлениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такои? элементарныи? объем, характеризующии? особенности строения данного типа кристалла, называется элементарнои? ячеи?кои?. Для ее описания используют шесть величин: три ребра ячеи?ки а, b, с и три угла между ними б, в, г. Эти величины называются параметрами элементарнои? ячеи?ки. Поскольку атомы стремятся занять наименьшии? объем, существуют всего 14 типов кристаллических решеток, свои?ственных элементам периодическои? системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток:

- объемно-центрированная кубическая (ОЦК) - атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Nа, V, Nb, Feб, К, Сг, W и другие металлы;

- гранецентрированная кубическая (ГЦК) - атомы расположены в вершинах куба и в центре каждои? грани; решетку такого типа имеют Рв, А1, Ni, Аg, Аu, Сu, Со, Feг и другие металлы;

- гексагональная плотно упакованная (ГПУ) - четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных основании? призмы, а три - в среднеи? плоскости призмы; такую решетку имеют Мg, Ti, Rе, Zn, Hf, Ве, Са и другие металлы (рис.1).



Рис. 1. Кристаллическое строение металлов: а - схема кристаллическои? решетки; б - объемно-центрированная кубическая; в - гранецентрированная кубическая; г - гексагональная плотно упакованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарнои? ячеи?ке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 109 см) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1 ...0,7 нм.

Координационное число показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число равно 12, ОЦК-8, ГПУ-12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячеи?ку.

Так, на одну элементарную ячеи?ку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящии?ся в центре куба 1 принадлежащии? только даннои? ячеи?ке, и второи? -- как сумма долеи?, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячеи?кам (8/8=1). Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно 4.Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки з определяется отношением объема, занимаемого атомами, Vs, ко всем объему элементарнои? ячеи?ки решетки

Vр:(з=Vs/Vр .

Плотность упаковки зоцк =0,68, згцк | = 0,74, згпу= 0,74. Рассматривая модель кристаллическои? решетки, можно заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинакова. По этои? причине свои?ства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свои?ств называется анизотропиеи?. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных приложении?, т. е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свои?ства не зависят от направления, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительнои?. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что временное сопротивление ув изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение у --10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими веществами, состоящими из множества мелких (10... 10~5 см) различно ориентированных относительно друг друга кристаллов, и их свои?ства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.

1.1 Дефекты строения реальных кристаллов

Существующие в природе кристаллы, которые получили название реальных, не обладают совершеннои? атомнкристаллическои? структурои?. Их решетки имеют различного рода дефекты, т. е. отклонения от правильного периодического расположения атомов. Дефекты кристаллического строения с учетом их пространственного измерения подразделяют на точечные (нульмерные), линеи?ные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллическои? решетки, размеры которых по всем трем пространственным координатам соизмеримы с размером атома. К точечным дефектам относятся:

- междоузельные или дислоцированные атомы, вышедшие из положения равновесия и перемещенные в позицию между узлами решетки;

- вакансии или пустые узлы кристаллическои? решетки; - примесные атомы ( рис.2 а).

Рис.2. Дефекты кристаллического строения: а -- точечные (1 -- дислоцированныи? атом; 2 -- вакансия; 3 -- примесныи? атом внедрения); б -- линеи?ные (ф -- вектор сдвига); в -- поверхностные ( б--угол разориентировки субзерен)

Линеи?ные дефекты, или дислокации - это линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостеи? кристалла. Так называемые краевые (линеи?ные) дислокации возникают вследствие появления в кристалле неполнои? атомнои? плоскости, которая называется экстраплоскостью (плоскость ABED на рис. 2 б) . Линия АD, т. е. краи? экстраплоскости, и будет краевои? дислокациеи?. Длина дислокации? может достигать размера всего кристалла, в поперечном же сечении размеры дефекта невелики и не превышают нескольких межатомных расстоянии?.

Образование дислокации? происходит обычно в процессе первичнои? кристаллизации. Однако при пластическои? деформации, термическои? обработке и других процессах плотность дислокации? может существенно изменяться, оказывая очень сильное влияние на механические свои?ства металлов и сплавов. Наиболее простои? и наглядныи? способ образования дислокации? в кристалле - сдвиг (рис 2 б). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижнеи? на одно межатомное расстояние и зафиксировать положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только ее часть АDCF, то граница АD между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не произошло, и будет линеи?нои? дислокациеи?.

Поверхностные дефекты (рис 2 в) представляют собои? поверхности раздела (границы) между отдельными зернами и субзернами в поликристаллическом металле. Зерна разориентированы, повернуты относительно друг друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии, что еще больше нарушает правильныи? порядок расположения атомов. К поверхностным дефектам относятся двои?ники (симметрично переориентированные области кристаллическои? решетки) и дефекты упаковки (локальные изменения расположения плотно упакованных плоскостеи? в кристалле).

Объемные дефекты представляют собои? поры, макротрещины и другие подобные несплошности металла.



1.2 Процесс кристаллизации металлов

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определенных условиях переи?ти к энергетически более устои?чивому состоянию, с меньшеи? свободнои? энергиеи? F. На рис. 3 показана зависимость изменения свободнои? энергии для жидкои? и твердои? фаз от изменения температуры системы. Меньшеи? свободнои? энергиеи? вещество в жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом - ниже теоретическои? температуры плавления (точка Тs). В реальных условиях процесс кристаллизации не может начаться при температуре Ts, так как при даннои? температуре система находится в состоянии равновесия (Fж = FТ). Для того чтобы процесс кристаллизации начался, жидкость необходимо охладить ниже точки ТS. Температура, при которои? реально начинается процесс кристаллизации, называется фактическои? температурои? кристаллизации (Tкр). Разность между теоретическои? температурои? ТS и реальнои? температурои? Ткр, при которои? протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения системы ДТ. При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при определеннои? степени перегрева системы ДТ .

Рис. 3. Изменение свободнои? энергии F металла в жидком (Fж) и твердом (Fт) состояниях в зависимости от температуры Т



Выделяют два вида кристаллизации:(- первичная -- переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллическои? структуры; - вторичная -- образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью термического анализа, суть которого заключается в регистрации температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 4 а) с расплавленным металлом погружают термоэлектрическии? термометр (термопару) 2, подключенныи? к регистрирующему потенциометру 3. На основании полученных данных в координатах температура - время строят кривую охлаждения (рис. 4 б), которая отражает последовательность протекания процесса кристаллизации.

Рис. 4. Кристаллизация металлов: а -- схема установки для регистрации процесса; б -- кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L -- жидкое состояние, б -- твердое состояние) На рис.5 приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различнои? скоростью охлаждения.



Рис. 5. Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации: а -- кривые охлаждения чистого металла; б -- влияние степени переохлаждения ДТ на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

Верхнии? участок кривои? охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температуре, соответствующеи? горизонтальному участку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытои? теплоты кристаллизации способствует сохранению постояннои? температуры в течение всего времени, необходимого для завершения процесса. Нижнии? участок кривои? соответствует охлаждению закристаллизовавшегося металла. Тонкои? горизонтальнои? линиеи? на диаграмме показано значение теоретическои? температуры кристаллизации Тs . Из рис. 5 видно, что по мере увеличения скорости охлаждения (V1 < V2 < V3) степень переохлаждения расплава возрастает и кристаллизация начинается при более низких температурах. Период кристаллизации при этом сокращается. Основы теории кристаллизации были разработаны более 100 лет назад основоположником науки о металлах - металловедения - Д.К. Черновым, которыи? установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчаи?ших частиц твердого вещества, называемых зародышами, или центрами кристаллизации, и роста кристаллов из этих центров. При охлаждении металла ниже Тs в различных участках жидкого металла образуются устои?чивые, способные к росту кристаллические зародыши. С понижением температуры расплава количество зародышеи? возрастает. В реальных условиях центры кристаллизации образуются на тугоплавких неметаллических включениях.

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышеи? присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнеи?шем рост продолжается только там, где есть свободныи? доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильнои? геометрическои? формы. Такие кристаллы называются зернами. Размер зерен зависит от скорости зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скорости роста кристаллов (СР). На рис. 5, б показана зависимость этих параметров от степени переохлаждения расплава.

Сплавы. Существование разных типов кристаллических решеток у одного и того же вещества при различных температуре и давлении называется полиморфизмом, или аллотропиеи?, а процесс перехода из однои? кристаллическои? формы в другую -- полиморфным, или аллотропическим, превращением. Ряд элементов -- Со, Тi, Мn, Sn, Са, Li, Fе и др. имеют два и более типа (модификации) кристаллических решеток, обозначаемых малыми буквами греческого алфавита (б, в,г), и начиная с тои? формы, которая существует при наиболее низкои? температуре. Процесс перехода из однои? формы в другую определяется термодинамическим состоянием системы и объясняется тем, что, начиная с определеннои? температуры (температуры перекристаллизации), новая модификация обладает меньшим запасом энергии, чем предыдущая, и является энергетически более устои?чивои?. Температура, при которои? осуществляется переход из однои? модификации в другую, называется температурои? полиморфного превращения. Новые полиморфные формы образуются в результате зарождения центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

На рис.6 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, характеризующие его полиморфные превращения.

При температурах ниже 911° С и выше 1392 °С железо имеет объемноцентрированную кубическую решетку и обозначается Feб. При температурах 911... 1392 °С оно имеет гранецентрированную кубическую решетку и обозначается Feг .

Рис.6. Кривые охлаждения и нагрева железа

Высокотемпературную модификацию Fеб иногда обозначают Feд. При температуре 768 °С (точка Кюри) происходит изменение магнитных свои?ств железа: ниже 768 °С оно магнитно, выше -- немагнитно (немагнитное б-железо иногда называют в-железом).

В машиностроении чистые металлы не находят широкого применения, так как в большинстве случаев они не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свои?ств. Чаще используют металлические сплавы -- вещества, состоящие из двух и более элементов. Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собои? жидкии? раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом. При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодеи?ствие, от характера которого зависит их строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую решетку, является растворителем, а другои? (или другие) распределяется в кристаллическои? ре- шетке растворителя, не изменяя ее типа.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла. В зависимости от характера распределения атомов растворенного вещества в кристаллическои? решетке растворителя различают твердые растворы замещения внедрения. Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченнои? и ограниченнои?. При неограниченнои? растворимости возможна любая концентрация (от 0 до 100 %) растворенного вещества (при концентрации более 50 % растворенное вещество становится растворителем). Для образования твердых растворов замещения с неограниченнои? растворимо- стью необходимо соблюдение следующих условии?:

- изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

- близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8... 13 %;

- близость физико-химических свои?ств компонентов.Если два компонента сплава не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут растворяться друг в друге лишь ограниченно.В реальных сплавах чаше наблюдаются твердые растворы с ограниченнои? растворимостью.

Химическим соединением называют вещество, характерными особенностями которого являются:

-постоянство состава, выраженное формулои?, которая отвечает определен- ному соотношению количеств атомов компонентов А и Б в нем;

- наличие нового типа кристаллическои? решетки, отличающегося от типов решеток сплавляемых компонентов;

- ярко выраженное существенное изменение всех свои?ств.В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими различия в электронном строении атомов.

Механическая смесь образуется, когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфазная структура сплава, представленная чередующимися зернами чистых компонентов Л и В.При изучении явлении?, протекающих в металлах и сплавах в процессе их превращении?, пользуются понятиями «система», «фаза», «компонент».

Системои? называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система может быть простои?, если она состоит из одного элемента, и сложнои? -- из нескольких элементов.

Фазои? называется однородная по химическому составу и внутреннему строению часть системы, отделенная от других частеи? поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однофазнои? системои? является, например, однородная жидкость, двухфазнои? -- механическая смесь кристаллов двух металлов.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Компонентами могут быть химические элементы (металлы и неметаллы) или устои?чивые химические соединения.



2. Основные свои?ства металлов и сплавов

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свои?ств, которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные. К основным механическим свои?ствам относят прочность, твердость, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность и твердость. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение - это сила, отнесенная к площади поперечного сечения, МПа. Деформация - это изменение формы и размеров тела под влиянием воздеи?ствия внешних сил или в результате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращении?, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнеи?шем повышении нагрузки происходит разрушение тела.

Прочность -- это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под деи?ствием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных механических испытании? образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб, и кручение. Испытание на растяжение обязательны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопротивлением и пределом текучести; временное сопротивление -- это условное напряжение, соответствующее наибольшеи? нагрузке, предшествующеи? разрушению образца; предел текучести-- это напряжение, при котором начинается пластическое течение металла.

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испытании?: на ударную вязкость (разрушению ударом стандартного образца на копре), на усталостную прочность (определению способности материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок), на ползучесть (определение способности нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагрузках). Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость.

Пластичность -- это способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве, %.

Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, не получающего остаточных деформации? тела. Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Значения твердости, определенные различными методами, пересчитывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бринеллю (НВ, МПа) определяют из отношения нагрузки Р, приложеннои? к шарику, к площади поверхности полученного отпечатка шарика F отп :

HB=P/Fотп.

Ударная вязкость - способность металлов и сплавов оказывать сопротивление деи?ствию ударных нагрузок.

К физическим свои?ствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурные коэффициенты линеи?ного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводимость.

Физические свои?ства сплавов обусловлены их составом и структурои?.К химическим свои?ствам относят способность к химическому взаимодеи?ствию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свои?ства. Способность материала подвергаться различным методам горячеи? и холоднои? обработки определяют по его технологическим свои?ствам. К технологическим свои?ствам металлов и сплавов относятся литеи?ные свои?ства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти свои?ства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литеи?ные свои?ства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литеи?нои? формы, степенью химическои? неоднородности по сечению полученнои? отливки, а также величинои? усадки- сокращением размеров при кристаллизации и дальнеи?шем охлаждении.

Деформируемость - это способность принимать необходимую форму под влиянием внешнеи? нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость - это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Обрабатываемостью называют свои?ства металлов поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.

Технологические свои?ства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свои?ства удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное производство, оснащенное гибкими системами управления, нередко предъявляет к технологическим свои?ствам материала особые требования, которые должны позволять осуществлять комплексныи? технологическии? процесс на всех стадиях получения изделия с заданным ритмом: например, проведение сварки на больших скоростях, ускоренныи? темп охлаждения отливок, обработка резанием на повышенных режимах и т. п. при обеспечении необходимого условия - высокого качества получаемои? продукции.

К эксплуатационным свои?ствам в зависимости от условия работы машины или конструкции относят износостои?кость, коррозионную стои?кость, хладостои?кость, жаропрочность, жаростои?кость, антифрикционность материала и др.

Износостои?кость - это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под деи?ствием внешнего трения.

Коррозионная стои?кость - сопротивление сплава деи?ствию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостои?кость - способность сплава сохранять пластические свои?ства при температурах ниже 0 градусов по Цельсию.

Жаропрочность - способность сплава сохранять механические свои?ства при высоких температурах.

Антифрикционность - способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Эти свои?ства определяются в зависимости от условия работы машин или конструкции? специальными испытаниями.



3. Стали. Чугуны

Специальные стали--это сплавы на основе железа отличающиеся от обычных сталеи? особыми свои?ствами, обусловленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки. В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемого строения и физико-химических и механических свои?ств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Мп, Si, Cr. Ni, Mo, W, Со, Си, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. B некоторых сталях легирующими элементами могут быть также: Р, S, N, Se. Те, Рв, Се и др. Перечисленные элементы и Н, О, Sn, Sb, As могут быть также примесями в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долеи? процента до десятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов.

Легированные стали -- это сплавы на основе железа, в химическии? состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свои?ства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем содержание этих же элементов в виде примесеи?.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать су- щественное влияние на структуру и свои?ства стали при содержании их в сотых долях процента, (В -- в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микро легированными.

Из приведенных определении? видно, что понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легированных, могут относиться и углеродистые стали, если им приданы специальные свои?ства посредством определенных способов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные, инструментальные, термически упрочненные, для холоднои? штамповки и др.

Классификация сталеи?. По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных для примесеи? соответствующими стандартами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных - от 2,5 до 10%, в высоколегированных - более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, никельмолибденовыми,хромоникельмолибденовыми, хромокремнемарганцовоникелевыми и т. п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свои?ствами.

Конструкционнои? сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталеи? машин, механизмов и конструкции? в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свои?ствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и стали и сплавы с особыми свои?ствами - теплоустои?чивые, жаропрочные, жаростои?кие, коррозионностои?кие и т. д.

Инструментальнои? сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокои? твердостью, прочностью, износостои?костью и рядом других свои?ств. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указаннои? классификации существуют более узкие подразделения сталеи? как по назначению, так и по свои?ствам. Классификация сталеи? по структуре в значительнои? степени условна.

По структуре сталеи? в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его содержанию в углеродистои? стали. Поэтому в зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоиднои? точки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших размеров после высокотемпературного нагрева (~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, беи?нитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Перлитные и беи?нитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные - легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированными. Однако такая связь между структурои? и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы: феррито- перлитныи?, феррито-мартенситныи?, аустенито-ферритныи?, аустенито- мартенситныи?. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % второи? фазы (как второи? структурнои? составляющеи?).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные. Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесеи?, таких как фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы (не более), в сталях разнои? категории качества:Неболее Р,% S.%

Обыкновенного качества 0,040-0,050 Качественная 0,035-0,035 Высококачественная 0,025-0, 025 Особовысококачественная 0,025-0,015

Категория «обыкновенного качества» может относиться только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества относятся к любым по степени легирования сталям.

Маркировка сталеи?. Углеродистые конструкционные качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; .85).

Для сталеи?, полностью не раскисленных (при С <0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп - кипящая сталь, пс - полуспокои?ная сталь (напри- мер, 15кп, 20пс). Для спокои?ных сталеи? индекс не указывается.

Углеродистые инструментальные стали обозначают буквои? «У» и следующеи? за неи? цифрои?, указывающеи? среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; 13).

В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А-азот, К-кобальт, Т-титан, Б-ниобии?, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, М-молибден, Н-никель, Р-бор, С-кремнии?, Ф-ванадии?, X-хром, Ц-цирконии?, Ю-алюминии?. Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента в процентах, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42-0,50 % С; 0,5-0,8 % М; 0,8-1,0 % X ; 1,3-1,8,% Ni; 0,2-0,3 % Mo и 0,1-0,18% V, обозначается маркои? 45ХГН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава 0,32-0,40 % С; 0.80-1,20 % Si; 0,15-0,40 % Mn; 4,5-5,5% Cr; 1,20-1,30 % Mo и 0,3-0,5 % X обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях составляет 1 % и более, то цифру в начале марки, как правило, вообще не ставят (например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает на то, что сталь относится к категории высококачественнои? (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки - значит сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная - повышеннои? обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (ЗОХГСА или ЗОХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к категории качественных (ЗОХГС).

В марках быстрорежущих сталеи? вначале приводят букву «Р», за неи? следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежущих сталях содержится около 4 % хрома, поэтому в обозначении марки буквы «X» нет. Ванадии?, содержание которого в различных марках колеблется в пределах от 1 до 5 %, обозначается в марке, если его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих сталях пропорционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркировке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или кобальт, то их содержание указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7-0,8 % С; 3,8-4,4 % Х; 17,0-18,5 % W; 1,0-1,4 % V обозначается маркои? Р18, а сталь: 0,95-1,05% С; 3,8-4,4% Х; 5,5-6% W: 4,6 - 5,2 % Мо; 1,8-2,4 %В; 7,5-8,5 % Со обозначается Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упрощенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургическом заводе. Перед номером стали ставят индексы «ЭИ»У «ЭП» (завод «Электросталь»). Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упрощенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37X12Н8Г8МФБ-~ ЭИ481, Чугуны. Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими более 2,14 % С.

Классификация чугунов. Характернои? особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения - цементита Fe3C), но также в свободном состоянии - в виде графита. При этом форма выделении? графита и структура металлическои? основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свои?ства. Классификация чугуна с различнои? формои? графита производится по ГОСТ 3443-77. По специально разработанным шкалам оценивают форму включении? графита, их размеры, характер распределения и количество, а также тип металлическои? основы.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам: -по состоянию углерода - свободныи? или связанныи?; -по форме включении? графита - пластинчатыи?, вермикулярныи?, шаровидныи?, хлопьевидныи?;

Рис. 7. Структура чугуна с графитом различнои? формы: а - пластинчатыи? графит в сером чугуне; б - шаровидныи? графит в высокопрочном чугуне; в - хлопьевидныи? графит в ковком чугуне



- по типу структуры металлическои? основы (матрицы) - ферритныи?, перлитныи?; имеются также чугуны со смешаннои? структурои?: например феррито-перлитные;

по химическому составу - нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

белыи? чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3С; половинчатыи? чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;

серыи? чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;отбеленныи? чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностныи? слои? - белого;

высокопрочныи? чугун, в котором графит имеет шаровидную форму; ковкии? чугун, получающии?ся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Структура и свои?ства чугуна. Микроструктура чугуна состоит из металлическои? основы (матрицы) и графитных включении?. Свои?ства чугуна определяются свои?ствами металлическои? основы и характером включении? графита. Чугуны содержат следующие структурные составляющие (рис.8):- графит (Г);- перлит (П);- феррит (Ф);- ледебурит (Л);- фосфидную эвтектику.

кристаллизация металл чугун сплав



Рис. 8. Микроструктура чугуна: I - белыи?: II - серыи? перлитныи?; II, а - половинчатыи?; II, б - ферритно-перлитныи?; III - серыи? ферритныи?; IV - высокопрочныи?

Серыи? чугун - это сплав системы Fe-C-Si, содержащии? в качестве примесеи? марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатои? формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свои?ства серого чугуна зависят от свои?ств металлическои? матрицы, формы и размеров графитовых включении?. Свои?ства металлическои? матрицы чугунов близки к свои?ствам стали. Графит, имеющии? невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включении? и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна.

Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свои?ство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостои?кости изделии? из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серыи? чугун маркируют буквами «С» - серыи? и «Ч» - чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 - чугун серыи?, предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свои?ствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

- ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15), применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталеи? машин;

- перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30), используют для изготовления износостои?ких деталеи?, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршнеи?, цилиндров, блоков двигателеи?;

- модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкои? в жидкии? серыи? чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокои? прочностью, повышеннои? теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателеи?, поршневые кольца).

Вермикулярныи? графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарии?.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевыи? чугун (СМЧ), обладающии? прочностью литои? стали и высокими литеи?ными свои?ствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздеи?ствию переменных напряжении? и интенсивному износу, например, коленчатые валы легковых автомобилеи?.

Высокопрочныи? чугун. Отличительнои? особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свои?ства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, которыи? в меньшеи? степени, чем пластинчатыи? графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлическои? основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего деи?ствия, благодаря чему вокруг включении? графита в меньшеи? степени создаются концентраторы напряжении?. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокои? прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Ca, Се и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Химическии? состав и свои?ства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293 - 85 и маркируются буквами «В» - высокопрочныи?, «Ч» - чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ 100 - высоко прочныи? чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм).

Высокопрочныи? чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литеи?ным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкции при сохранении их высокои? надежности и долговечности. Высокопрочныи? чугун используют для изготовления ответственных деталеи? в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др.).

Белыи? и ковкии? чугун. Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии - в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белыи? цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостои?кость, в том числе и при воздеи?ствии? абразивных сред. Это свои?ство белых чугунов учитывается при изготовлении поршневых колец. Однако белыи? чугун применяют главным образом для отливки деталеи? с последующим отжигом на ковкии? чугун.

Ковкии? чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизируюших элементов (2,4 - 2,9 % С и 1,0 - 1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленныи? чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Механические свои?ства и рекомендуемыи? химическии? состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны, маркируют буквами «К» - ковкии?, «Ч» - чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая - относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкии? чугун с пределом прочности при растяжении 33 кг/мм (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Различают черносердечныи? ковкии? чугун, получаемыи? в результате графитизирующего отжига, и белосердечныи?, получаемыи? путем обезуглероживающего отжига в окислительнои? среде. В России применяют только черносердечныи? ковкии? чугун. Матрица чугуна может быть перлитнои?, ферритнои? или перлитно-ферритнои? в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повышают температуру выдержки в период П2, модифицируют и микролегируют чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устои?чивости цементита.

Ковкии? чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкии? чугун - малоперспективныи? материал из-за сложнои? технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталеи? из него.

Легированные чугуны. В зависимости от назначения различают износостои?кие, антифрикционные, жаростои?кие и коррозионно-стои?кие легированные чугуны.

Химическии? состав, механические свои?ства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термическои? обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769- 82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износоcтои?кие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталеи?, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сr и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышеннои? износостои?костью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилеи?, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростои?кие легированные чугуны ЧХ2, ЧХЗ применяют для изготовления деталеи? контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600 °С (ЧХ 2) и 700 °С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500 - 600 °С и применяются для изготовления деталеи? дизелеи?, компрессоров и др.

Коррозионно-стои?кие легированные чугуны марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД ЧН2Х (низколегированные) обладают повышеннои? коррозионнои? стои?костью в газовои?, воздушнои? и щелочнои? средах. Их применяют для изготовления деталеи? узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателеи? внутреннего сгорания, деталеи? дизелеи?, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердои? фазы в мягкои? основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

ГОСТ 1585 - 85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1-АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химическии? состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны Антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно- ферритныи? (АЧС-3) применяют при давлении в зоне контакта фрикционных пар до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлитныи?) и АЧВ-2 (перлитно-ферритныи?) применяют при повышенных нагрузках (до 120 МПа).



4. Цветные металлы и сплавы

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свои?ств: хорошеи? пластичностью, вязкостью, высокои? электро- и теплопроводностью, коррозионнои? стои?костью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются алюминии?, медь, свинец, олово, магнии?, цинк, титан.

Алюминии? и его сплавы. Алюминии? - металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкои? плотностью, высокои? электропроводностью, температура плавления 660 °С. Механические свои?ства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционныи? материал применялся ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свои?ств алюминии? легируют различными элементами (Сr, Mg, Si, Zn). Железо и кремнии? являются постоянными примесями алюминия. Железо вызывает снижение пластичности и электропроводности алюминия. Кремнии?, как и медь, магнии?, цинк, марганец, никель и хром, относится к легирующим добавкам, упрочняющим алюминии?.

В зависимости от содержания постоянных примесеи? различают:- алюминии? особои? чистоты марки А 999 (0,001 % примесеи?);- алюминии? высокои? чистоты - А 935, А 99, А 97, А95 (0,005 - 0,5 % примесеи?);- техническии? алюминии? - А 35, А 3, А 7, А 5, А 0 (0,15 - 0,5 % примесеи?).

Техническии? алюминии? выпускают в виде полуфабрикатов для дальнеи?шеи? переработки в изделия. Алюминии? высокои? чистоты применяют для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделии?.

В автомобилестроении широкое применение получили сплавы на основе алюминия. Они классифицируются:

- по технологии изготовления,- по степени упрочнения после термическои? обработки; - по эксплуатационным свои?ствам.

- Деформируемые сплавы. К неупрочняемым термическои? обработкои? относятся сплавы:

- алюминия с марганцем марки АМц;- алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокои? пластичностью, коррозионнои? стои?костью, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуары для жидкостеи? и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термическои? обработкои?, различают сплавы:

- нормальнои? прочности; - высокопрочные сплавы; - жаропрочные сплавы; - сплавы для ковки и штамповки. Сплавы нормальнои? прочности. К ним относятся сплавы системы Алюминии? + Медь + + Магнии? (дюралюмины), которые маркируются буквои? Д. Дюралюмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокои? прочностью, достаточнои? твердостью и вязкостью. Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в воде. Закаленные дюралюмины подвергаются старению, что способствует увеличению их коррозионнои? стои?кости.

Дюралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д16 - несущие элементы фюзеляжеи? самолетов, сплав Д18 - один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе Алюминии? +Цинк +Магнии? +Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стои?кость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свои?ств, сплавы закаливают с последующим старением.

...