применении веществ и материалов

Отсутствие необходимой информации об опасных свойствах химических веществ и материалов и, как следствие, неправильное обращение с ними – одна из причин возникновения ситуаций, приводящих к последствиям, связанным с ущербом для жизни, здоровья людей и окружающей среды.

По степени воздействия на организм вредные вещества, содержащиеся в сырье, продуктах, полупродуктах и отходах производства, подразделяют на четыре класса опасности:

1-й – вещества чрезвычайно опасные;

2-й – вещества высокоопасные;

3-й – вещества умеренно опасные;

4-й – вещества малоопасные.

Класс опасности вредных веществ устанавливают в зависимости от норм и показателей. Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

Для осуществления мероприятий по обеспечению безопасного обращения с опасными веществами и материалами необходима информация об их свойствах, мерах защиты от вредных воздействий, условиях хранения и др. Основными носителями этой информации в большинстве развитых стран являются предупредительная маркировка и информационные документы о безопасности вещества (материала).

Паспорт безопасности является обязательной составной частью технической документации на вещество (материал), а также на отходы промышленного производства. Он предназначен для обеспечения потребителя достоверной информацией по безопасности промышленного применения, хранения, транспортирования и утилизации веществ и материалов, а также их использования в бытовых целях.

Паспорт безопасности должен содержать следующие разделы:

– наименование и состав вещества или материала, сведения об организации (лице) – производителе или поставщике;

– виды опасного воздействия и условия их возникновения;

– меры первой помощи;

– меры и средства обеспечения пожарной безопасности;

– меры по предотвращению чрезвычайных ситуаций;

– правила обращения и хранения;

– правила и меры по обеспечению безопасности пользователя;

– физические и химические свойства;

– стабильность химической активности;

– токсичность;

– воздействие на окружающую среду;

– утилизация и захоронение отходов (остатков);

– правила транспортирования;

– информация о

 

2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

В главе представлены сведения и определения о физико-химических свой­ствах черных и цветных металлов и их сплавов, их применение как в горной промышленности так и в народном хозяйстве.

Рассматриваются основные виды, термической, термомеханической и хи­микотермической обработки стали.

В соответствии с материалами главы студент должен уметь:

- формировать и правильно использовать указанные определения;

- понимать их суть и содержание;

- сравнивать и находить между ними разницу.

Металлы - простые вещества, обладающие в обычных условиях харак­терными свойствами: высокими электро- и теплопроводностями, отрицатель­ным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хо­рошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), высокой прочностью и пластичностью. Свойства металлов могут значительно изменить­ся при очень высоких давлениях (10¹⁰...10¹¹ Па). Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в виде нескольких кри­сталлических модификаций.

Подобными металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество металлических сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в технике, исчисляется многими тысячами и постоянно возраста­ет в соответствии с возникающими новыми и разнообразными требованиями отдельных отраслей промышленности.

Свойства металлов обусловлены их кристаллическим строением и наличи-

22 28 3

ем в их кристаллической решетке большого количества (10...10 в 1 см) не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости. Слабая связь валентных электронов с ядрами атомов обусловливает химические свой­ства металлов: они легко образуют основные оксиды и гидрооксиды, большин­ство металлов замещает водород в кислотах и т.д.

Большинство металлов кристаллизуется с атомным строением в виде ОЦК, ГЦК и ГПУ кристаллических решеток. В парообразном состоянии металлы од- ноатомны.

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами, поэтому их нередко относят к металлам.

Металлы и сплавы в промышленности разделяют на две основные группы: черные и цветные металлы.

Черные металлы - сплав железа с углеродом, в котором могут содержать­ся в большем или меньшем количестве и другие химические элементы. Ко­бальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец нередко относят к черным металлам. Черные металлы получили наибольшее распространение, что обусловлено относительно высоким содержанием железа в земной коре, его низкой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойства­ми.

Цветные металлы по свойствам подразделяют на группы:

- легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие сравнительно малой плот­ностью - до 5000 кг/м;

- тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой плавления выше, чем у железа (1539 °С);

- благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химиче­ской инертностью;

- урановые металлы (U, Th, Pa) - актиноиды, используемые в атомной технике;

- редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам;

- щелочноземельные металлы (Li, Na, К), используемые в качестве тепло­носителей в ядерных реакторах.

Классификация металлических сплавов по химическому составу, основан­ная на указании главного компонента сплава (железо, медь, алюминий и др.), имеет традиционный характер и получила наибольшее распространение. Одна­ко внутри таких классов, определенных с учетом химического состава по глав­ному компоненту сплава, распределение на группы и подгруппы чаще всего проводится по характерным особенностям в свойствах или по области приме­нения данного сплава или нескольких сплавов.

2.1. Железо и сплавы на его основе

Железо - Fe, химический элемент VIII группы периодической системы элементов, атомный номер 26, атомная масса 55, 847. Блестящий серебристо­серый, пластичный металл. Образует полиморфные модификации. На воздухе железо окисляется - покрывается рыхлой ржавчиной.

Физические свойства железа зависят от содержания примесей. Железо с содержанием примесей 0, 01...0, 1 % имеет следующие свойства: плотность 7840

кг/м; коэффициент теплопроводности 74, 04 Вт/ (м-К); удельное электрическое

8 2

сопротивление 9, 7-10^- Ом-мм /м; температурный коэффициент электрического

3 1

сопротивления 6, 51-10^- К^-; температурный коэффициент линейного расшире­ния 11, 7-10^-6 К^-1; твердость по Бринеллю 350...450 МПа; модуль Юнга (190...210)-10 МПа; предел прочности на разрыв о = 200...250 МПа; относи­тельное удлинение 5 = 45...55 %; ударная вязкость KCU = 220...250 кДж/м.

Железо может иметь три полиморфные модификации(а-, 5- и y-Fe), каждая из которых существует в определенном температурном интервале.

a-Fe имеет температурный интервал практически от абсолютного нуля до 911°С. a-Fe имеет объемно центрированную кубическую решетку. Плотность a- Fe - 7860 кг/м. До температуры 768 °С (точка Кюри) эта модификация облада­ет ферромагнитными свойствами, выше этой температуры - парамагнитными.

y-Fe - парамагнетик, существует от 911 до 1392 °С, имеет гранецентриро- ванную решетку. Его плотность - 8000...8100 кг/м.

Высокотемпературная модификация 5-Fe существует в интервале от 1392 до 1539 °С. 5-Fe имеет объемно-центрированную кубическую решетку и так же, как a-Fe после 768 °С, обладает парамагнитными свойствами.

Сплавы, в которых суммарное содержание примесей менее 0, 1 % и углеро­да менее 0, 02 %, называются технически чистым железом, а при содержании менее 0, 04% С - техническим железом (армко-железом). Техническое желе­зо имеет высокую магнитную проницаемость (^ = 4500 Гн/ м) и является элек­тротехническим магнитно-мягким материалом, применяемым для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов. Железный порошок в больших количествах применяется при сварке.

Железо - важнейший металл современной техники: на долю сплавов желе­за с углеродом и другими элементами (железоуглеродистые сплавы) приходит­ся около 95 % всей металлической продукции (чугун, сталь, ферросплавы).

Железоуглеродистые сплавы - сплавы Fe (основной компонент) с С. Раз­личают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получае­мые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические же­лезоуглеродистые сплавы, содержащие примеси, легирующие элементы и спе­циальные добавки.

2.1.1. Стали и сплавы

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа (основа) с углеродом (до 2 %) и (или) другими элементами (сплавы).

2.1.1.1. Структура сталей в равновесном состоянии

Вид окончательно сформировавшейся микроструктуры сталей и сплавов зависит от содержания в них углерода и может быть определен по структурной диаграмме состояния Fe-Fe₃C в соответствии с процессами, которые происхо­дят для соответствующего состава сплава.

Микроструктура сталей, содержащих до 0, 006 % углерода, имеет зерни­стое (полиэдрическое) строение и представляет собой чистый феррит (рис. 2.1,

а) Такие стали при небольшой прочности обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью.

При содержании в сталях углерода от 0, 006 до 0, 025 % (техническое желе­зо) их микроструктура представляет собой зерна феррита и расположенный по границам этих зерен третичный цементит (рис. 2.1, б). Хрупкая цементитная сетка снижает пластичность и вязкость сталей.

Микроструктура сталей с содержанием углерода 0, 025...0, 8 % состоит из зерен феррита и перлита (рис. 2.1, в). При этом в сталях с содержанием углеро­да до 0, 1...0, 15 % еще сохраняются включения третичного цементита. В струк­туре таких сталей при увеличении содержания углерода увеличивается количе­ство перлита с соответствующим уменьшением феррита, что ведет к повыше­нию прочности и твердости стали с одновременным снижением ударной вязко­сти и относительного удлинения.

t *с. изо

2, 0

А+Ж   V ж+ ■ *Т           t " "   ц         А                           .. 1+Л   п! л+ ц £ г             h 1         / А+Цтг                   ■ д                             !       j ~(сЪ           !     7Г— п _л+ц   1! t-JJ+J!     —н— Л А-     1 Т 1!   _ 1.. _     I | ... 1 '

40 4.3

Г %

Рис. 2.1. Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии. Условное обозначение структурных составляющих: а - ферритная; б - ферритно-цементитная; в - ферритно-перлитная; г - перлитная; д - перлитно-цементитная; 1 - феррит; 2 - цементит; 3 - перлит

При содержании углерода 0, 8% микроструктура представляет собой зерна чистого перлита (рис. 2.1, г). При рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. Вследствие значительной дисперсности структуру перлита можно отчетливо различать только при увели­чениях более чем в 500 раз. Перлит может иметь пластинчатую или зернистую структуру, что определяют условия охлаждения. При этом сталь с зернистой структурой перлита отличается лучшей пластичностью и обрабатываемостью резанием.

В микроструктуре стали, содержащей свыше 0, 8 % углерода, по границам зерен перлита располагается вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода. При содер­жании в стали 1 % углерода цементит образует хрупкую сетку, которая разоб­щает между собой зерна перлита (рис. 2.1, д). Прочность стали при этом снижа­ется.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектических и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные со­ставляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Рассмотренные равновесные структуры обратимы, то есть они многократ­но реализуются при нагреве и охлаждении сплавов. Это справедливо только в случае, если нагревы и охлаждения протекают с достаточно малыми скоростя­ми, то есть все фазовые превращения завершены и можно не учитывать необ­ходимые для этого перегревы и переохлаждения.

Для количественной оценки компонент структурного состава используют правило отрезков, реализуемое на диаграмме Fe-Fe₃C.

При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пла­стичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина

остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приво­дит к ухудшению целого ряда технологических, таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых ста­лей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других техно­логических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец счита­ется технологической примесью при его содержании, не превышающем 0, 8 %. Марганец присутствует в сталях и сплавах в виде твердого раствора а и как технологическая примесь существенного влияния на свойства сталей не оказы­вает.

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0, 37 %. Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом растворе а и как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конст­рукций, содержание кремния не должно превышать 0, 12...0, 25 %.

2.1.1.2. Влияние углерода и технологических примесей на свойства сталей и сплавов

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными ком­понентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легиро­ванного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фос­фор, а также кислород, водород и азот.

Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критиче­ских точек диаграммы Fe-C.

Характер влияния этих примесей на свойства сталей и сплавов определяет­ся их возможностью образовывать самостоятельные фазы с основным компо­нентом, железом, а также местом возникновения этих фаз.

Углерод в соответствии с диаграммой состояния железо - цементит может образовать с железом твердый раствор и цементит Fe₃C Содержание цементита в сплавах можно оценивать по диаграмме состояния, используя дополнитель­ную шкалу абсцисс по содержанию цементита (см. рис. 2.1), так как количество цементита в сталях пропорционально содержанию углерода.

Влияние углерода на свойства сталей в основном определяется свойствами цементита (закон аддитивности) и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. Следовательно, при увели­чении содержания углерода до 1, 2 % (рис. 2.2) возрастают прочность, твер­дость, порог хладноломкости (0, 1 % С повышает температуру порога хладно­ломкости на 20 °С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила.

% Sf % KCV.

0.4

\ t \ ч   /н / V % \   /   - \ / * /   в \ • \ / Ж \ *0.-   (Г%         \Ч     КС

0.8 1, 2 С, %

МДж/м2 1, 2

 

 

Рис. 2.2. Влияние содержания углерода на механические свойства

сталей и сплавов

Сера. Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0, 035...0, 06 %. Сера практически нерастворима в аустените и присутствует в сталях и сплавах в виде хрупких сульфидов FeS и MnS, входящих в эвтектику с температурой плавления 985 °С. Причем эта эвтектика, как правило, кристалли­зуется по границам зерен.

Повышение содержания серы существенно снижает механические и физи­ко-химические свойства сталей, в частности пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформи­ровании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости, проявляющейся появлением надрывов по включениям FeS. Кроме того, повы­шенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор. Пределы содержания фосфора как технологической примеси со­ставляют 0, 025...0, 045 %. Фосфор в сталях и сплавах присутствует в твердом растворе а.

Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания даже на доли процента, повышая проч­ность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию и способствует росту зерен в ме­талле. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышен­ном содержании углерода.

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязня­ют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фа­зой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая анизо­тропию механических свойств, повышение хрупкости и порога хладноломко­сти, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода бо­лее 0, 03 % он вызывает старение сталей, а более 0, 1 % - красноломкость. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышен­
ное содержание азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250 °С.

Водород содержится в твердом растворе а или скапливается в порах и на дислокациях. Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увели­чению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникать флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют про­цесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промыш­ленности.

Флокены - дефекты внутреннего строения стали в виде серебристо-белых пятен (в изломе) или волосовин (на протравленных шлифах). Встречаются, главным образом, в катаных и кованых изделиях.

2.1.1.З. Влияние термической, термомеханической и химико­термической обработок на свойства стали и сплавов

Термической обработкой (ТО) стали называют процессы нагрева и ох­лаждения, проведенные по определенному режиму, для направленного измене­ния ее структуры с целью получения необходимых эксплуатационных свойств.

Возможность влияния термической обработки на структуру и свойства сталей и сплавов определяется вторичной кристаллизацией, которая в соответ­ствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C (см. рис. 2.1) происходит по линиям GS, SE и РК.

Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении происходит в пол­ном соответствии с диаграммой состояния в следующем порядке:

1) превращение аустенита в феррит;

2) выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;

3) укрупнение частиц цементита, размеры которых меняются от долей микрона до нескольких микрон.

Реализация всех трех этапов вторичной кристаллизации приводит в соот­ветствии с диаграммой состояния к образованию структурной составляющей - перлита.

Существенное значение для протекания вторичной кристаллизации имеют условия охлаждения. Незначительная степень переохлаждения или весьма мед­ленное охлаждение обеспечивают получение равновесных структур. Чем боль­ше степень переохлаждения аустенита или скорость его охлаждения, тем более неравновесная структура получаемой стали. Изменяя условия охлаждения, можно получить различные модификации структур, а именно, сорбит, троо- стит или мартенсит, что существенно влияет на свойства сталей и сплавов.

Сорбит получают при скорости охлаждения около 50 град/с. При образо­вании этой структуры протекание всех перечисленных выше этапов происхо­дит, но достаточно ограниченно. Толщина образовавшихся при этом пластинок цементита - (0, 1...0, 5) 10 м. Твердость сорбита 250...350 НВ.

Троостит образуется при скорости охлаждения 50...100 град/с. При этом возможны только первый и второй этапы вторичной кристаллизации. Пластин­ки цементита в троостите не превышают по толщине 1-10^-10 м. Твердость троо- стита 350...450 НВ.

Мартенсит стали - пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в а-Fe с искаженной кристаллической решеткой, получае­мый при скорости охлаждения 150...200 град/с. Минимальную скорость охлаж­дения, при которой весь аустенит переохлаждается и превращается в мартен­сит, называют критической скоростью закалки. При нагреве мартенсит перехо­дит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации и имеет характерное пластинчатое, под микроскопом - иголь­чатое строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м/с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный пере­ход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах не­возможен.

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими сталей и, особенно, с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

При образовании мартенсита получают максимальные твердость (НВ

180.. .650) и хрупкость при минимальных плотности и вязкости. Твердость мар­тенсита возрастает с увеличением содержания в нем углерода. Однако увеличе­ние содержания углерода повышает склонность мартенсита к хрупкому разру­шению.

Основные виды термической обработки стали - отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг стали - термическая обработка, включающая в себя при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30...50 °С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев сталей производится до температур выше нижних критических точек на 30...50 °С, а при низкотемпературном отжиге - до температур, лежа­щих ниже нижних критических точек. При неполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация. Структура сталей после отжига образуется в полном соответствии с диаграммой состояния желе­зоуглеродистых сплавов.

Отжиг сталей производят в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия пе­регрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при ре­зании.

Разновидностями отжига сталей являются нормализационный и изотерми­ческий отжиги.

Нормализационный отжиг (нормализация) - вид термической обработ­ки стали, заключающийся в нагреве до температуры на 30...50 °С выше верхних критических точек, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. В результа­те нормализации стали с содержанием углерода менее 0, 3 % приобретают фер- ритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0, 3...0, 7 % - сор- битную.

Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить од­нородную мелкозернистую структуру с более высокой твердостью и прочно­стью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормали­зации в заэвтектоидных сталях устраняется цементитная сетка, поэтому ею час­то заменяют полный или неполный отжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализация - более производительный и эконо­мичный процесс, чем отжиг.

Изотермический отжиг - вид термической обработки стали, заключаю­щийся в нагреве стали до температуры, на 30...50 °С превышающей верхнюю критическую, выдержке при этой температуре, а затем переносе детали в дру­гую печь с заданной (ниже верхней критической) температурой для ее изотер­мической выдержки до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.

Закалка стали - термическая обработка, включающая в себя нагрев до температур выше верхних критических точек на 30...50 °С, выдержку при этих температурах до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результате закалки в стали из аустенита образуется мартенсит. Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокали- ваемостью.

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате за­калки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца ха­рактеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (об­разца).

Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенных углеродистых сталей распространяется на 5...7 мм.

Микроструктура закаленных сталей зависит от их химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0, 025...0, 03 % задерживает выделение третичного це­ментита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка по­вышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.

Микроструктура стали с 0, 08...0, 15 % С (с нагревом выше верхних крити­ческих точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания угле­рода (0, 15...0, 25 %) при тех же условиях закалки приводит к повышению твер­дости с 110...130 до 140...180 НВ, а предел текучести возрастает на 30...50 %. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании угле­рода более 0, 30...0, 35 %.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0, 5...0, 6 % в микроструктуре сталей наблюдается незначитель­ное (2...3 %) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вто­ричного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение темпера­туры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует рос­ту зерна.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износо­устойчивость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной серд­цевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергают стали при содержании уг­лерода более 0, 3 %. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя опреде­ляется условиями работы детали и составляет от 1, 5 до 15 мм (и выше). Пло­щадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20 % площади всего се­чения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с ин­дукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

Мартенситная структура стали после закалки метастабильна, и для ее пре­вращения в более устойчивую структуру производят отпуск.

Отпуск стали - термическая обработка, включающая в себя нагрев зака­ленной стали до температуры ниже критических точек, выдержку при этой температуре и охлаждение. В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки вследствие диффузионного перераспределения углерода превращается в более устойчивые структуры - мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит отпуска имеет измененную кристаллическую решетку и его об­разование сопровождается объемными изменениями, выделением теплоты и частичным снятием внутренних напряжений. При более высокой температуре нагрева образуются троостит, сорбит и перлит отпуска, которые в отличие от структур, получаемых из аустенита при непрерывном охлаждении, имеют зер­нистую, а не пластинчатую микроструктуру. Стали с зернистой микрострукту­рой отпуска характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обраба­тываемостью резанием.

В зависимости от температуры отпуска различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска. Закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском назы­вается улучшением сталей. Улучшение обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударная вязкость, твердость) и применяется для ответст­венных изделий из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и другие детали). К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке сталей, относят трещины и деформацию. Трещины - неисправимый дефект, предупредить который можно конструктивным решением (избегать в изделии конструктивных элементов, которые могут стать концентраторами напряжений) и тщательным соблюдением режимов термообработки. Деформация, то есть изменение размеров и формы изделий, всегда сопровождает процессы термиче­ской обработки, особенно закалки. Несимметричную деформацию изделий в практике часто называют короблением. Деформацию можно уменьшить подбо­ром соответствующего состава стали и условий термической обработки, а из­бежать коробления - обеспечив равномерность нагрева под закалку и правиль­ное положение детали при погружении в закалочную среду.

Легированная сталь имеет меньшую теплопроводность, чем углеродистая, поэтому требует замедленных нагрева и охлаждения во избежание коробления и трещин.

Термомеханическая обработка (ТМО) стали - совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500...700 °С) аустенита (НТМО). Такой вид обработки позволяет получить сталь высокой прочности (до 270 МПа). Формирование структуры сталей при ТМО происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распреде­ления дислокаций. Окончательными операциями ТМО для избежания развития рекристаллизации являются немедленная закалка и низкотемпературный (100...300 °С) отпуск.

Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском по­зволяют получить очень высокую прочность (о_в = 2200...3000 МПа) при хоро­шей пластичности (5 = 6...8 %, у = 50...60 %) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распростране­ния трещин, а также сниженные критическую температуру хрупкости, чувстви­тельность к концентраторам напряжений и необратимую отпускную хрупкость.

ВТМО осуществляется в цехах прокатного производства на металлургиче­ских заводах, например, при упрочнении прутков для штанг, рессорных полос, труб и пружин.

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными эле­ментами (С, N, Al, Si, Cr и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение элементами (Cr, Al, Si и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и продолжительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в кристаллической решетке феррита, чем в более плотноупакованной решетке аустенита.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, ка­витационную и коррозионную стойкости и, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным на­сыщением малоуглеродистой (С < 0, 2 %) или легированных сталей при темпе­ратурах 900...950 °С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при

870.. .900 °С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки

- повышение твердости, износостойкости и пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Азотирование стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до

600.. .650 °С в атмосфере аммиака NH₃. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с Fe, Al, Cr и други­ми элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды) и повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др.

Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цемен­тованных, до сравнительно высоких температур (500...520 °С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррози­онной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров и др.

Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обра­ботка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеро­дом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной проч­ности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре

840.. .860 °С - нитроцианирование, и в жидкой при температуре 820...950 °С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, сод

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Популярное:

1. II. 2. ОБ ОПАСНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ,
2. XXII. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОБРАЩЕНИЯ С ВЕЩЕСТВАМИ,
3. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ПАТЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4. Анализ пожарной опасности применяемых в технологических процессах веществ и материалов
5. Аннотирование лекций, кино-, видео– и компьютерных материалов
6. Анти-частицы. Взаимные превращения вещества и поля.
7. Антипитательные вещества зеленых, грубых и сочных кормов.
8. Баланс питательных веществ в севообороте
9. БИЛЕТ 6 Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике.
10. Биотрансформация и выведение лекарственных веществ. Понятие о фармакогенетике
11. Биохимические исследования, используемы для оценки нарушений обмена веществ и уточнения патогенеза заболеваний внутренних органов
12. Бухгалтерские проводки по учету материалов