КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Все металлы условно поделены на черные и цветные.

Черные металлы обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

· − железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

· − тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С

· - титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

· − урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

· − редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

· − щелочноземельные металлы

· - литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

· − легкие – бериллий, магний, алюминий;

· − благородные металлы

· - рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

· − легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

Титан (Химический элемент с атомным номером 22 и атомной массой 47, 9, являющийся единственным элементом, способным гореть в азоте; отличающийся способностью поглощать газы из окружающей газовой среды)

Никелид титана. Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана.

Никелид титана — это интерметаллид с 55 мас.%Ni. Температура плавления 1240—1310˚ C, плотность 6, 45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.

Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры NiTiNOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году.

Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.

Кобальт (Химический элемент кобальт – твердый металл, обладающий способностью растворять водород, не образуя химических соединений)

Галлий (Химический элемент главной подгруппы третьей группы четвертого периода, отличающийся необычно большим значением температурного интервала существования галлия в жидком состоянии (от 30 до 2230⁰С)

Сурьма (Химический элемент грубозернистого строения, существующий в четырех металлических аллотропных модификациях при различных давлениях и в трех аморфных модификациях

Олово (Легкоплавкий металл, имеющий разные аллотропные модификации, одна из которых обладает полупроводниковыми свойствами. Переход в нее осуществляется при снижении температуры, причем олово увеличивается в объеме)

Тантал (Химический элемент тантал – тяжелый, твердый, но пластичный металл, обладающий необычно высоким показателем температуры кипения, равным 5698К)

Гольмий (Гольмий – химический элемент, относящийся к группе лантанойдов, отличающийся способностью генерировать лазерное излучение в инфракрасной области спектра (длина волны – 2, 05 мк).)

Ниобий (Ниобий – тугоплавкий, чрезвычайно стойкий химический металл, обладающий необычно низкой работой выхода электронов, способностью образовывать сплавы со свойствами сверхпроводников, сохраняющий пластичность даже при низких температурах.)

Кадмий (Химический элемент побочной подгруппы второй группы пятого периода, обладающий наиболее высоким среди всех металлов показателем теплопроводности вблизи абсолютного нуля)

Литий (Литий – щелочной металл, обладающий необычно низким значением плотности, необычно высоким среди всех щелочных металлов значением температуры плавления 180, 54 °С.)

Неодим (Неодим – редкоземельный метла, обладающий свойствами поглощения ультрафиолетовых лучей, осуществляемого посредством та называемого ниодиевого стекла с целью генерации инфракрасного излучения с заданной длиной волны 1063 км, а оксид неодима)

Кремний (Кремний - химический элемент с кристаллической решеткой типа алмаза, но имеющий значительно меньшую твердость и высокую хрупкость, обладает способностью приобретать пластичность при температуре выше 800⁰С; прозрачность к ИК излучению, )

Рубидий (Рубидий – легкоплавкий вязкий металл, относящийся к группе щелочных металлов, отличающийся в чистом виде и в соединениях необычно высоким и агрессивными химическими свойствами по отношению к конструкционным материалам, а гидроксил рубидия в расплаве)

Характеристики кристаллических решеток

Важными характеристиками кристаллической решетки являются период, координационное число, коэффициент компактности. Период решетки – это расстояние между двумя ближайшими соседними атомами. Кристаллическая решетка характеризуется параметрами a, b, c и углами между координатными осями – α (между осями x и z), β (между y и z), γ (между (x и y).

Координационное число – это число атомов, находящихся в кристаллической решетке на равном наименьшем расстоянии от данного атома. Каждый атом простой кубической решетки имеет 6 ближайших соседей, расположенных на расстоянии длины ребра куба (периода решетки). Координационное число такой решетки обозначают К6. В ОЦК решетке у каждого атома 8 ближайших соседей и координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12 ближайших соседних атомов, соответственно координационные числа К12 и Г12.

Коэффициент компактности – это отношение объема атомов, приходящихся на элементарную кристаллическую ячейку, ко всему объему ячейки. Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52 %, ОЦК– 68 %, ГЦК – 74 %, ГПУ – 74 %.

Многократное повторение в пространстве кристаллографических плоскостей (плоскостей, проходящих через определенные группы атомов кристаллической решетки) воспроизводит кристалл. Пространственное расположение кристаллографических плоскостей и направлений характеризуется индексами.

Для монокристаллов характерна анизотропия свойств, т.е. неодинаковость свойств в разных кристаллографических направлениях, что вызывается разной плотностью упаковки атомов в направлениях испытания. Поликристаллические тела состоят из многих зерен. В отдельно взятом зерне наблюдается анизотропия, но поскольку ориентация кристаллографических плоскостей решетки в разных зернах различна, то по всему объему материала свойства выравниваются, т.е. реальные металлы являются изотропными. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными. Для металлов, подвергнутых обработке давлением и имеющих волокнистую структуру, т.е. текстуру – направленное расположение волокон, характерна анизотропия свойств.

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Кристаллизация металлов

Кристаллизация ─ это переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). С точки зрения термодинамики процесс кристаллизация протекает при условиях, обеспечивающих снижение запаса свободной энергии системы (энергии Гиббса).

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов ─ зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов. Скорость каждого из этих процессов зависит от степени переохлаждения n жидкости относительно равновесной температуры, т.е. температуры, при которой энергии Гиббса жидкого и кристаллического состояния равны. При небольших значениях n образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч. ц. возрастает быстрее, чем с. к.).

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса системы. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем меньше критическая величина зародыша.

При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью, имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы называют кристаллитами или зернами. Таким образом, форма и размер образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями столкновения растущих кристаллов.

В реальных условиях форма и размер кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей (при росте кристаллов на частицах примесей, играющих роль готовых центров кристаллизации, образование зародышей называют гетерогенным в отличие от гомогенного ─ самопроизвольного образования). Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

Виды сплавов

Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях различают сплавы: смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Сплавы смеси образуют компоненты, которые в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют смесь кристаллов обоих компонентов, называемую эвтектикой. Изменение механических свойств сплавов смесей носит линейный характер и зависят от соотношения входящих в них компонентов и их свойств.

Твердыми растворами являются сплавы, компоненты которых растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. Сплав сохраняет кристаллическую решетку растворителя – компонента, которого больше. Механические свойства твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости и могут быть выше или ниже свойств образующих сплав компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В растворах замещения атомы растворимого элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки. Растворы замещения могут быть с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В твердых растворах внедрения атомы одного компонента внедряются в межузельное пространство другого.

Сплав химическое соединение образуется при определенном соотношении атомов компонентов, например А_m В_n, где m и n количество атомов компонентов А и В, образующих соединение (стехиометрические коэффициенты). Соединение имеет собственную кристаллическую решетку, отличную от решетки образовавших его элементов. Механические свойства сплава значительно отличаются от свойств каждого компонента.

Диаграммы состояния

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Описание состояния сплава в математической форме производится с помощью правила фаз Гиббса:

С = К─ Ф + 1,

где К ─ число компонентов, образующих систему; Ф ─ число фаз; С ─ число степеней свободы.

Компонент – это независимая составная часть системы. Фаза ─ это однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком.

Число степени свободы это число внешних и внутренних факторов (температура, концентрация) равновесия, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы.

Диаграмму состояния строят по критическим точкам кривых охлаждения, которые получают с помощью термического анализа. Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма строится в координатах температура (ось ординат) концентрация (ось абсцисс). Концы оси абсцисс соответствуют компонентам, а промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Линия диаграммы АСВ^′называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия А^′f В^′─ линия солидус. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде неограниченного твердого раствора α ). Между линиями А^′сВ^′и А^′f В^′сплавы имеют двухфазный состав (L+α ).

Химический состав фаз и их относительное количество в сплаве при температуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков. Чтобы определить химический состав необходимо через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду (горизонтальную линию, лежащую в двухфазной области диаграммы и опирающуюся своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды равно относительному количеству фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.

Рис.2.1. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов

Рис. 2.2. Диаграмма состояния сплавов смесей

На рис. 2.2 представлена диаграмма состояния сплавов смесей, которая характеризуется отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. Линия АСВ ─ ликвидус, DСЕ ─ солидус. Кристаллизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь кристаллов компонентов А и В, называемую эвтектикой. Сплав, кристаллизация которого начинается непосредственно с эвтектического превращения (в данном случае сплав, фигуративная линия которого проходит через точку С), называется эвтектическим. Сплавы, концентрация которых лежит левее точки С, называются доэвтектическими, правее точки С – заэвтектическими. На рис. 2.3 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий ликвидус и солидус (АСВ и АDСЕВ) диаграмма содержит линии DF и EG предельной растворимости компонента В в твердом растворе α (А(В)) и компонента А в твердом растворе β (В(А)) соответственно. Кристаллизация сплава «с» начинается после пересечения линии ликвидус с выделением кристаллов твердого раствора β. Затем при пересечении линии DCE (линии эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов α и β.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов твердых растворов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением

При дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента А в В(А) выделяются кристаллы твердого раствора α, богатого компонентом А. В конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами β, эвтектикой (α и β ) и вторичными кристаллами α.

Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии химического соединения (рис. 2.4).

Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные превращения, зависит от характера взаимодействия аллотро-пических модификаций компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, расположенные этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сходные по виду с эвтектическими, но с распадом не жидкости, а твердого раствора. Превращения подобного типа, в отличие от эвтектического, называют эвтекто-идным. На рис. 2.5. представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с эвтектоидным превращением.

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

В настоящее время сталь является основным металлическим материалом промышленности. Большое разнообразие химического состава сталей и видов их обработки позволяет получать различные свойства и удовлетворять запросы многих отраслей техники. В настоящее время ежегодно в мире выплавляют стали более 2000 марок.

Классификация сталей

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, назначению и др.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По содержанию углерода те и другие условно делят на низкоуглеродистые (С ≤ 0, 25%, среднеуглеродистые (0, 3 …0, 6%С) и высокоуглеродистые (≥ 0, 7%С).

Легированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов разделяют на низколегированные, содержащие менее 2, 5% легирующих элементов; среднелегированные – 2, 5 – 10% легирующих элементов; высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникельмолибденовые, хромокремнемарганцевоникелевые и т.д. В связи с тем что более широко используются стали легированные несколькими элементами, что делает данную классификацию громоздкой.

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.

Классификация по качеству. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств во многом зависят от содержания вредных примесей – серы и фосфора и газов (О₂, N₂, Н₂), поэтому их нормы содержания являются основными показателями для разделения сталей по качеству.

По качеству различают стали:

- обыкновенного качества (углеродистые), S≤ 0, 05%, Р≤ 0, 04%;

- качественные (углеродистые и легированные) S≤ 0, 04%, Р≤ 0, 035%;

- высококачественные (углеродистые и легированные) S≤ 0, 025%, Р≤ 0, 025%;

- особовысококачественные (легированные) S≤ 0, 015%, Р≤ 0, 015%.

По степени раскисления стали (углеродистые) классифицируют на спокойные, кипящие и полуспокойные. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. При их затвердевании выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием и по степени раскисленности занимают промежуточное положение. Легированные стали выплавляются только спокойные.

Классификация по структуре для углеродистых сталей (в отожженном состоянии) приведена в главе 1, а легированных (в отожженном и нормализированном состояниях) - в разделах 3 настоящей главы.

По назначению (применению) стали объединены в группы: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами. Данная классификация является более содержательной, чем рассмотренные ранее классификации. Она в большей мере характеризует стали, поэтому ее рассмотрению уделяется больше внимания.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HRC 60-65), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость, т.е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Все инструментальные стали подразделяют на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-5% Cr), полутеплостойкие (содержащие свыше 0, 6-0, 7% С и 3-18% Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, Mo, V, Co), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (углеродистые); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание < 1%. Если содержание углерода ~ 1% и больше, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента.

Подшипниковые стали

Стали применяются для изготовления элементов подшипников – тел качения (шариков или роликов), колец. Подшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью (HRC≥ 62), поэтому применяют высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода в среднем 1%. Стали должны иметь высокую прокаливаемость, т.к. элементы подшипника должны прокаливаться насквозь. Для достижения этого стали легируют хромом. Чем больше размер закаливаемой детали подшипника, тем больше должно быть содержание хрома в стали. К подшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений (оксидных, сульфидных) и карбидной ликвации, потому что нагрузка в подшипниках локальная и если в точках касания шарика (ролика) и кольца окажется включение, то может произойти местное разрушение (выкрашивание), и долговечность работы подшипника снизится.

Термическая обработка детали подшипника состоит из закалки в масло с температурой 830-840⁰С и низкого отпуска при температуре 150-160⁰С, что обеспечивает твердость не ниже 62 HRC. Структура стали – мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными карбидами.

Марки подшипниковых сталей обозначаются буквами ШХ, что расшифровывается как подшипниковая (шарикоподшипниковая) хромистая, цифра после буквы Х показывает содержание хрома в десятых долях процента. Дополнительно стали легируют кремнием и марганцем. Химический состав подшипниковых сталей соответствует ГОСТ 801-78.

Быстрорежущие стали

маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (в процентах). Среднее содержание остальных легирующих элементов, кроме хрома, обозначают цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (до 600-620 ⁰С), которая достигается легированием карбидообразующими элементами (W, Mo, Cr, V) в таком количестве, при котором они весь углерод связывают в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания; фактически скорость резания в 2-4 раза выше, а стойкость инструмента в 10-30 раз выше по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Для придания стали высокой теплостойкости их подвергают закалке и трехкратному отпуску. Температуры закалки высокие (1230-1280^оС), с целью более полного растворения легирующих элементов в аустените, из которого в процессе закалки образуется легированный мартенсит, обладающий большой теплостойкостью. В структуре закаленной стали присутствует также около 30% остаточного аустенита, который ухудшает режущие свойства. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит (и повышения твердости) сталь после закалки подвергают трехкратному отпуску (550-570^оС) или обработке холодом (-70^оС) и однократному отпуску.

Твердость сталей после такой термической обработки HRC63-65. Наиболее известные марки Р18, Р12, Р6М5, Р9К10, Р12Ф3, Р6М5К5 и др.

Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость по режущей кромке (HRC 60-65); высокую износостойкость; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы; теплостойкость, когда резание выполняется с повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У7 (У7А), У8 (У8А), У8ГА, У9 (У9А), У10 (У10А), У12 (У12А) имеют небольшую прокаливаемость, поэтому их применяют для инструментов небольших размеров, применяемых для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью, т.к. их твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200^оС. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла и др.) применяют заэвтектоидные стали (У10, У12 и др.). Деревообрабатывающий инструмент - зубила, кернеры, топоры и т.п. - изготовляют из сталей У7 и У8.

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Стали содержат 1-3% легирующих элементов и поэтому обладают повышенной прокаливаемостью. Легированные стали применяют для изготовления режущего инструмента большого сечения для обработки материалов с небольшой скоростью, при нагреве во время работы не свыше 250⁰С.

Из сталей марок Х, 9ХС и др. изготавливают ручные сверла, метчики, развертки и др. Стали, легированные марганцем ХГ, ХВГ, применяют для изготовления длинномерного инструмента (протяжки, длинные развертки и т.д.), т.к. присутствие марганца способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Стали, легированные вольфрамом, марок В2Ф, ХВ4 имеют после закалки и низкого отпуска очень высокую твердость (HRC 67-70) и их применяют для обработки твердых материалов.

Строительные стали

Строительные стали применяются для изготовления строительных конструкций – мостов, газо- и нефтепроводов, ферм и т.д. Все строительные конструкции, как правило, являются сварными и свариваемость одно из основных свойств строительных сталей. Поэтому строительные стали содержат углерода до 0, 25%. По химическому составу строительные стали – углеродистые и низколегированные, содержащие небольшое количество марганца и кремния, как наиболее дешевых легирующих элементов. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, не образуют при сварке холодных и горячих трещин. Для повышения механических свойств стали дополнительно легируют ванадием и молибденом. Добавки никеля понижают порог хладноломкости. Добавки меди с никелем или меди с фосфором повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Строительные стали у потребителя не подвергаются термической обработке. Структура и служебные характеристики формируются при производстве сталей путем проведения термической обработки или регулированием теплового и механического режимов прокатки.

Маркировка сталей. Строительные стали по ГОСТ 27772-88 обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т – на термоупрочненный прокат, а буква Д – на повышенное содержание меди, например, 235, С245, С255, С345Т, С390К, С440Д и т.д.

Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют инструменты – штампы, пуансоны, ролики и т.д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления такого рода инструмента называются штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента). Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и горячем состоянии. Условия работы этих сталей сильно различаются между собой.

Штамповые стали для деформирования в холодном состоянии.

Стали используемые для изготовления штампов, деформирующих металл при нормальных температурах должны обладать высокой твердостью (HRC 56-60), износостойкостью, прочностью сочетающейся с достаточной вязкостью. При термической обработке необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость штампов и небольшие объемные изменения. Штампы небольших размеров и простой конфигурации изготавливают из углеродистых сталей У10, У11, У12. Для более сложных конфигураций и более тяжелых условий работы применяют стали ШХ 15, Х, ХВСГ и др. Для крупных штампов применяют стали Х12, Х12Ф1, Х12М и др.

Штамповые стали для деформирования в горячем состоянии (полутеплостойкие и теплостойкие). Стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать окалиностойкостью и разгаростойкостью, т.е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того, стали должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода тепла, передаваемого обрабатываемой заготовкой. Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь для их изготовления должна обладать высокой прокаливаемостью, что обеспечивает высокие механические свойства по всему сечению штампа.

Штампы, работающие при умеренных нагрузках и нагревающиеся при работе до 550 ⁰С изготавливают из полутеплостойких сталей 5ХНМ, 5ХГМ и др., обладающих повышенной вязкостью. Средненагруженные штампы, работающие с разогревом поверхности до 600⁰С изготавливают из сталей 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С и др. Стали повышенной теплостойкости 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф и др. используют для штампов нагревающихся при деформировании до 600-700 ⁰С.

ЧУГУНЫ

Общие положения о термической обработке

Для выбора температурных режимов термической обработки используется диаграмма Fe-Fe₃C. Температуры нагрева стали устанавливаются по критическим точкам диаграммы и зависят от состава стали и выбранного процесса термической обработки (рис. 2.2).

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK (А₁), GS (A₃) и SE (А_Ст) диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Нижняя критическая точка, соответствующая превращению А↔ П при температуре линии PSK, обозначается А₁. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А₃. Температура линии SE обозначается А_Ст.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (поскольку они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву «с», т.е. эти точки обозначаются А_с1 и А_с3. Критические точки при охлаждении имеют индекс r и обозначаются соответственно А_r₁ и A_r₃.

Легирование изменяет положение критических температур, поэтому пользоваться диаграммой Fe-Fe₃C при определении режимов термической обработки без учета влияния легирующих элементов на критические температуры нельзя.

Рис.. Нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с указанием температуры нагрева для термической обработки

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Медь и ее сплавы

Медь ─ металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Плотность Сu равна 8890 кг/м³. При 1083 ^ºС медь плавится. Она обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью в сухой атмосфере (Сu примыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди характеризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.

В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Ве т.д.), получившие название бронзы.

Латуни, содержащие цинка до 39 %, имеют структуру твердого раствора α и называются α -латунями. Чем больше в α -латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение концентрации Zn сверх 39% приводит к появлению в структуре сплава фазы β -твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом связи. Прочность сплавов α +β по мере возрастания содержания цинка увеличивается, а пластичность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав становится однофазным твердым раствором β. Такие сплавы хрупки и практического применения не имеют.

Кроме основных компонентов (Cu и Zn) латунь может содержать легирующие элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т.д.).

Латуни делят на деформируемые и литейные, простые и специальные. Простые латуни имеют в составе только медь и цинк, а в состав специальных входят и легирующие элементы. Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней буквенными обозначениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следует группа чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из последующих ─ на содержание соответствующего легирующего элемента. Концентрация цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62 % Cu и 38 % Zn; ЛАН 59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni и 36 % Zn.

Литейные латуни обозначают ЛЦ, содержание цинка указывается после буквы Ц, а содержание меди определяют по разности. Концентрация легирующих элементов указывается непосредственно за буквенными символами. Например, сплав ЛЦ40Мц3А содержит 40 % Zn, 3 % Mn, 1 % Al и 56 % Cu.

Бронзы делят на литейные и деформируемые, оловянистые и безоловянистые. Маркировка производится буквами Бр, а затем в деформируемых бронзах ставятся буквенные обозначения имеющихся легирующих элементов. А после них группа цифр, означающая их количественное содержание. У литейных бронз после каждой буквы ставится цифра, означающая содержание легирующего элемента. Например, сплав БрОЦС 4-4-17 ─ деформируемая бронза, содержащая 4 % Sn, 4 % Zn, 17 % Pb, основа сплава ─ медь; сплав БрО3Ц12С5 ─ литейная бронза, содержащая 3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Cu.

12 3 4 5 6 Следующая ⇒