Вклад ученых в развитие металловедения.

Введение

Материаловедение - это наука, изучающая химический состав, структуру, свойства материалов и их взаимосвясь.

Материалы делятся на 3 группы:

1. металлы и сплавы на их основе;

2. неметаллические материалы;

3. композиционные материалы.

Основную долю материалов, применяемых в машиностроении, составляют металлические сплавы.

 

Вклад ученых в развитие металловедения.

 

Создание научных основ металловедения принадлежит Чернову Д.К. , который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для создания диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Чернов Д.К. открыл аллотропические превращения в стали и заложил фундамент термической обработки стали.

Он изучил кристаллизацию стали и основы теории литья.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей.

Он разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали.

В настоящее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения являются:

1. разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты

2. создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

3. создание неметаллических материалов (пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии) и композиционных материалов.

4. разработка «умных материалов».

 

Атомно-кристаллическое строение металлов

 

Металл состоит из атомов, которые представляют собой положительно заряженные ядра, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико, и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла и называются свободными электронами. Они являются носителями электрических зарядов и представляют собой «электронный газ», определяющий пластичность, теплопроводность и электропроводность металла.

Атомы в металлах расположены упорядоченно и образуют кристалл, т.е. металлы имеют кристаллическое строение.

Металлическое состояние, основные типы кристаллических решеток металлов.

Металлическое состояние характеризуется следующими признаками:

· высокая отражательная способность (металлический блеск);

· высокая пластичность;

· высокая теплопроводность и электропроводность;

· положительный температурный коэффициент линейного расширения.

Из большого числа упорядоченно расположенных атомов всегда можно выделить элементарный объем, который многократно повторяется и образует элементарную ячейку, которую называют кристаллической решеткой (к.р.).

Кристаллическая решетка (элементарная ячейка) – этовоображаемая пространственная решетка из минимального числа атомов, которая многократно повторяясь, образует кристалл

Основными параметрами кристаллической решетки являются:

· период решётки – расстояния между центрами ближайших атомов;

· координационное число (К) – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

·базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Основные типы кристаллических решеток (рисунок 1):

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α ) (рисунок 1, а)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы рассполагаются в вершинах куба и в центре каждой грани (Ag, Au, Fe_γ ) (рисунок 1, б)

3. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ), в основании которой лежит шестиугольник, в вершинах которого и в центре располагаются атомы и три атома в центре боковых граней через одну ( Zn, Al, Mg) (рис. 1, в).

 

 

Рис.1. Основные типы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная.

 

Аморфные вещества

Аморфные вещества – вещества, в которых атомы располагаются хаотично (произвольно).

Эти материалы не имеют определенной температуры плавления, как у металлов. При нагревании плавно переходят в вязко-текучее состояние. Например, силикатное стекло.

В металлических сплавах можно получить аморфную структуру при условии сверхбыстрого охлаждения из жидкого состояния (10⁴…10⁶ °С/с). Такие сплавы обладают очень высокой износостойкостью и отсутствием магнитных потерь при перемагничивании. Достаточно широко применяются в технике. Сплавы называются «металлическими стеклами».

Полиморфизм (аллотропия).

Металлы при изменении внешних условий (давление, температура) могут изменять тип кристаллической решетки. Эту способность металлов назвали полиморфизмом (много форм) или аллотропией. А процесс изменения типа к.р. – полиморфным или аллотропическим превращением.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

– ГЦК - ;

– ОЦК - ; (высокотемпературное )

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Аллотропические формы обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

 

 

Магнитные превращения

 

Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 768°С). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

 

 

Точечные дефекты

 

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов (рис. 2):

– вакансий;

– дислоцированных атомов;

– примесей.

 

Рисунок 2. Виды точечных дефектов

 

 

Вакансия (рис. 2, а) – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки».

Образуется:

– при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. );

– в результате пластической деформации;

– при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий. (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе).

Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела.

Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы – атомы примесей, которые всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл.

Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаться в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии.

 

 

Линейные дефекты:

 

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

 

а б

 

Рисунок 3. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Простейшие виды дислокаций: краевые и винтовые.

Краевая дислокация – линия, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рисунок 3).

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 4).

 

Рис. 4. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

 

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация.

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 5) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Рис. 5. Механизм образования винтовой дислокации

 

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле – среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала.

После отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 5)

Рис. 5. Влияние плотности дислокаций на прочность

 

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0, 5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической:

для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа.

При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.

 

Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 6).

Поверхностные дефекты образуются в поверхностной зоне между зернами, где нарушено упорядоченное строение атомов.

На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию.

 

 

 

Рис. 6. Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов (Ɵ ).

Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (Ɵ ). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (б). Такую структуру называют блочной или мозаичной .

Лекция 2

Испытание на растяжение

Основными видами испытания металлов являются одноосное статическое растяжение, на удар и на твердость. Испытания на растяжение выполняют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения (рис.1.5) (цилиндрические или плоские) в условиях медленно возрастающей нагрузки (статическая).

 

Рис 1.5. Образцы для испытания на растяжение:

I – плоские; II – круглые (а – до испытания,

б – после испытания)

 

Образцы имеют рабочую длину l, расчетную l_o и головки, предназначенные для закрепления образцов в захватах испытательной машины. Размеры рабочей и расчетной частей определяются стандартом. Рабочая длина l – часть образца между головками. Расчетная длина l_o – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения F_o, на которой осуществляют измерения удлинения образца под нагрузкой. Расчетная длина образца ограничивается на рабочей длине неглубокими кернами или рисками.

Испытания на растяжение выполняются на специальных разрывных машинах (рис.1.6), которые имеют три основных узла: нагружения 1, измерения силы 2 и станину, на которой монтируются эти узлы. Большинство машин снабжено устройством для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммным аппаратом 3, записывающим кривую растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца.

Рис.1.6. Внешний вид машины для испытания металлических образцов на растяжение: 1 – направляющие; 2 – линейка удлинений; 3 – круговая шкала; 4 –колонны; 5 – зажимные головки; 6 – ручка; 7 – выключатель; 8 –ползун;

9 – маховик; 10 – шпиндель

 

На рис.1.7 приведена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали. На оси ординат откладывается нагрузка Р (кгс), на оси абсцисс – удлинение образца D l (мм). Эта кривая характеризует поведение металла при растяжении от момента начала нагружения до разрыва образца.

При испытании на растяжение определяют прочность, текучесть, упругость металла и его пластичность.

Прочность (временное сопротивление разрушению), оцениваемая пределом прочности – s_в (кгc/мм² = 9, 8 МПа).

Текучесть, оцениваемая условным пределом текучести s_{0, 2} (кгc/мм² = 9, 8 МПа) или s_т (кгc/мм² = 9, 8 МПа), характеризует напряжение, при котором металл деформируется без увеличения нагрузки («течет»).

Предел прочности и предел текучести необходимы при выборе материала для детали, работающей в условиях конкретных расчетных напряжений – s _экспл.Их значения выбираются конструктором с учетом определенного запаса прочности – n, обеспечивающего надежность от возможного разрушения или деформации материала детали в процессе эксплуатации.

В зависимости от условий работы и ответственности конструкции ее расчет ведут по пределу прочности или пределу текучести, выбирая соответствующий запас прочности n или n₁:

 

n = s_в/s_экспл=1, 5 - 3, 0; n_{1 =} s_т/s_экспл = 1, 2 - 2, 5

 

Упругость, оцениваемая модулем упругости Е или пределом упругости – s_е (кгc/мм² ≈ 9.8 МПа), характеризует свойства металла возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.

Условный предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины (≤ 0, 05% от первоначальной длины образца).

Предел упругости применяется при расчетах упругих звеньев машин (пружины, рессоры и т.д.).

Предел пропорциональности s_пц (кгc/мм² ≈ 10 МПа) – напряжение, которое материал выдерживает без отклонения от закона Гука. Часто используется условный предел пропорциональности близкий к пределу упругости.

Пластичность, оцениваемая относительным удлинением d % и поперечным сужением y %, характеризует способность металла к пластической деформации без разрушения.

 

 

 

 

 

Рис. 7. Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

 

Рассмотрим диаграмму растяжения пластичного сплава.

До точки а идет прямая линия, это значит, что удлинение пропорционально нагрузкам, прилагаемым к испытываемому образцу. Если нагрузку удалить, то образец сократиться до первоначального размера. Способность металла восстанавливать свою форму называется упругостью, а деформация – упругой. Максимальное напряжение, при котором в образце наблюдаются только упругие деформации, называется пределом упругости s_e. С пределом упругости близко совпадает предел пропорциональности s_пц, при котором остаточное удлинение достигает некоторого определенного значения, устанавливаемого техническими условиями. Предел пропорциональности вычисляется по формуле:

 

При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается, так как нарушается пропорциональность между удлинением и нагрузкой, появляются остаточные удлинения. В точке l₀ кривая переходит в горизонтальную линию, длина образца увеличивается без возрастания растягивающих усилий.

После горизонтального участка пластическая деформация повышает плотность дефектов кристаллического строения и прочность. Напряжение начинает увеличиваться до точки в, где достигает максимума и соответствует нагрузке предела прочности. Предел прочности определяется по формуле:

 

При нагрузке Р, соответствующей точке к, происходит разрыв образца.

Для оценки пластичности металла определяют относительное удлинение d (дельта) и относительное сужение поперечного сечения y (пси). Относительное удлинение, выражаемое в %, определяется отношением абсолютного удлинения D l, равного разности длин (l _к – l _о), к первоначальной длине l _о (до разрыва образца). Относительное сужение – это отношение изменения площади поперечного сечения образца при растяжении к его начальной площади, выраженное в процентах.

Нагрузка P_Т, соответствующая горизонтальному участку на кривой, называется нагрузкой предела текучести, а соответствующее напряжение – физическим пределом текучести. Если при растяжении образца не образуется горизонтальная площадка, то за нагрузку предела текучести принимают нагрузку, соответствующую остаточному удлинению 0, 2% от расчетной длины образца и обозначают ее P_{0, 2}. Соответствующие напряжения называют условным пределом текучести s_{0, 2}.

Предел текучести физический – s_т и предел текучести условный – s_{0, 2} определяют по формулам:

_{, МПа}

_{, МПа}

 

Относительное удлинение определяется по формуле:

 

 

где l _к – расчетная длина образца после разрыва, мм;

l _о – расчетная длина образца до испытания, мм.

Относительное сужение определяется по формуле:

 

y

 

где F_o – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F_к – площадь образца в месте разрыва, мм²

Значения относительного удлинения и поперечного сужения определяют способность металла противостоять хрупкому разрушению.

 

 

Белые чугуны

 

Белый чугун – чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде цементита ( Fe₃C ).

В зависимости от содержания углерода белый чугун подразделяется на доэвтектический (2, 14-4, 3 % С) (рис.2.8, а), эвтектический (4, 3 % С) (рис.2.8, б) и заэвтектический (4, 3-6, 67 % С) (рис.2.8, в). Во всех белых чугунах имеется эвтектика – ледебурит. Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледебурита, образующегося при температуре 1147 °С в результате эвтектической кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4, 3 % и состоящего при этой температуре из цементита и аустенита, содержащего 2, 14 % С.

При температуре 727°С аустенит ледебурита, содержащий 0, 8 % углерода, превращается в перлит и, следовательно, ледебурит будет состоять при более низких температурах из перлита и цементита.

Доэвтектический белый чугун после полного охлаждения имеет структуру: ледебурит, перлит и вторичный цементит, выделяющийся из аустенита в процессе охлаждения от 1147 до 727 °С. Вторичный цементит практически сливается с цементитом ледебурита и считают, что структура доэвтектического чугуна состоит из ледебурита и перлита. Белый чугун вследствие присутствия в нем большого количества цементита обладает высокой твердостью (450-550 НВ), хрупок, практически не поддается обработке резанием и не используется для изготовления деталей машин. Доэвтектический белый чугун применяется для переработки в сталь и в чугун другого вида (ковкий).

Ограниченное применение находят чугунные отливки с отбеленной поверхностью: прокатные валки, лемехи плугов, шары мельниц и другие детали, работающие в условиях износа.

 

 

а б в

 

Рис.2.8.Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический;

б – эвтектический; в – заэвтектический

 

Легированный чугун

 

Нормализация.

Нормализации подвергают отливки простой фор­мы и небольших сечений. Нормализация проводится при 850—900° С с выдержкой 1—3 часа и последующим охлаждением отливок на воз­духе. При таком нагреве часть углерода-графита растворяется в аустените; после охлаждения на воздухе металлическая основа полу­чает структуру трооститовидного перлита с более высокой твер­достью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко приме­няют закалку с отпуском.

Закалка.

Повысить прочность серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850—900° С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как перлитные, так и ферритные чугу­ны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450—500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита. Эффек­тивным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится ана­логично закалке стали.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно под­вергать пламенной или высокочастотной поверхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и истиранию.

Легированные серые чугуны и высокопрочные магниевые чугуны иногда подвергают азотированию. Поверхностная твердость азоти­рованных чугунных изделий достигает HV600—800° С; такие дета­ли имеют высокую износоустойчивость.

Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные порш­невые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются ис­тиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск.

Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истира­ние, проходят низкий отпуск при температуре 200—250° С.

Чугун­ные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500—600° С.

При отпуске закаленных чугунов твер­дость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое ко­личество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

 

Ковкий чугун.

 

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2, 5—3, 2% С; 0, 6—0, 9% Si; 0, 3— 0, 4% Μ η; 0, 1-0, 2% Ρ и 0, 06-0, 1% S.

Существуют два способа отжига на ковкий чугун:

1.графитизирующий отжиг в нейтральной среде, основанный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

2.обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5—6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным обра­зом графитизацией.

Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне, а затем подвергают отжигу в методических, камерных и других от­жигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации:

1.Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до 950—1000° С с выдержкой 10—25 часов; затем температуру понижают до 750— 720° С при скорости охлаждения 70—100° С в час.

2. На второй ста­дии при температуре 750—720° С дается выдержка 15—30 часов, затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500—400° С и при этой температуре извлекаются на воздух, где охлаждаются с произ­вольной скоростью. При таком ступенчатом отжиге в области темпе­ратур 950—1000° С идет распад (графитизация) цементита. В ре­зультате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна пред­ставляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжи­га — графита (ферритный ковкий чугун).

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного от­жига:

после графитизации при 950—1000° С чугун охлаждается вместе с печью. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из перлита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700—750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Чтобы ускорить процесс отжига на ковкий чугун, изделия из белого чугуна подвергают закалке, затем проводят графитизацию при 1000—1100° С.

Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества центров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 7—15 часов.

 

 

Никель (Н)

Вольфрам(В)

Ванадий (Ф)

Кобальт (К)

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчают получение закалочных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами. Такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Титан (Т)

Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное содержание (более 0, 7 %) способствует старению стали.

Азот (А) в химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием образует нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой – нормализацией.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды и нитриды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Г), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля (Н), меди (Д), кремния и алюминия, которые входят а сталь в виде твердых растворов.

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали;

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам:

По назначению:

1. конструкционные стали, предназначаемые для изготовления

деталей машин, существуют 2 группы:

а) работающие в условиях обычных температур;

б) работающие в условиях повышенных температур (окалиностойкие);

2. инструментальные стали и сплавы , предназначаемые для изготовления

различного производственного инструмента и оснастки (3 группы):

а) режущего инструмента;

б) штампов;

в) измерительного инструмента;

3. стали и сплавы с особыми свойствами, обладающими определенными

специфическими физическими, химическими или механическими

параметрами (6 групп)

а) нержавеющие;

б) с высоким электросопротивлением;

в) электротехнические;

г) с особым тепловым расширением;

д) магнитные;

е) жаропрочные и жаростойкие.

 

По качеству:

а) качественная;

б) высококачественная (записывается буква А в конце марки стали. т.е. пониженное содержание вредных примесей);

в) особовысококачественная (записывается в конце марки буква Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком;

СШ – синтетическим шлаком; ВД – вакуумно-дуговой переплав).

 

По общему количеству легирующих элементов (включая углерод):

а) низколегированные (до 5%);

б) среднелегированные (от 5 до10%);

в) высоколегированные (свыше 10%).

 

По структуре в отожженном состоянии (равновесное состояние):

1) доэвтектоидные (содержат в структуре свободный феррит);

2) эвтектоидные;

3) заэвтектоидные ( содержат избыточные вторичные карбиды);

4) ледебуритные (содержат первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы);

5) аустенитные (при достаточно высоком содержании элементов, расширяющих область существования аустенита, получают стали, в которых сохраняется аустенит при охлаждении до комнатной температуры).

 

По структуре после охлаждения на воздухе (после нормализации):

1) перлитный (обладает небольшой твердостью и высокой

пластичностью – большинство конструкционных и инструментальных сталей);

2) мартенситный (весьма твердая и хрупкая, использование невелико);

3) аустенитный (содержат до 20-30% легирующих элементов - хромоникелевые нержавеющие, некоторые жаропрочные, высокомарганцовистая износостойкая).

 

По виду легирующих элементов:

никелевые (в составе основной легирующий элемент никель), хромистые, хромоникелевые и т.д.;

 

По виду термической обработки:

1) цементуемые;

2) улучшаемые

 

Пружинно–рессорные стали

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: