Материаловедение. Лекции. В.М.Александров

Кафедра: технология конструкционных материалов
Курс лекций
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
автор доцент В.М.Александров
Архангельск 2010
План лекций и распределение часов по разделам
курса Материаловедения
№
Название тем и их расшифровка
раздела
Тема 1. Кристаллическое строение материалов.
1.
1.1. Понятие о структуре металлов и сплавов.
1.2. Элементы кристаллографии.
1.3. Типы связей в кристаллических телах.
1.4. Фазовый состав сплавов.
1.5. Дефекты кристаллической структуры.
1.6. Структура не металлических материалов.
Кол-во
часов
8
Тема 2. Кристаллизация сплавов.
2.1. Гомогенное зарождение кристаллов.
2.2. Гетерогенное зарождение кристаллов. Строение слитка.
2.3. Понятие об аморфном строении металлов.
Тема 3. Диаграммы состояния двух компонентных систем.
3.1. Методы построения диаграмм состояния.
3.2. Диаграммы состояния с эвтектическим, перитектическим и эвтектойдным превращением.
3.3. Связь между диаграммой состояния и физическими и
механическими свойствами сплава.
3.4. Диаграмма состояния Fe – C (Fe – Fe3C)
3.4.1. Кристаллизация сталей.
3.4.2. Структурообразования в сталях.
3.4.3. Структурообразования в чугунах.
3.5. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру
в сталях.
Тема 4. Влияние пластической деформации на структуру и свойства
металлов.
4.1. Механизмы пластической деформации.
4.2. Структура и свойства деформированного металла.
Наклёп.
4.3. Возврат и рекристаллизация.
2.
Тема 5. Термическая обработка металлов и сплавов.
5.1. Классификация видов термической обработки сплавов.
5.2. Оборудование для термической обработки.
5.3. Термическая обработка сплавов не связанная с фазовыми
превращениями в твёрдом состоянии.
5.4. Термическая обработка сплавов с переменной
растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.
5.5. Термическая обработка сталей с эвтектойдным
превращением.
5.6. Превращение в сталях при нагреве.
5.7. Превращение аустенита при различных степенях
переохлаждения.
Перлитное, мартенситное и
промежуточное превращения.
8
5.8. Основные виды термической обработки стали.
5.8.1. Отжиг сталей.
5.8.2. Нормализация сталей.
5.8.3. Закалка сталей.
5.8.4. Отпуск сталей.
Тема 6. Химико-термическая обработка сплавов.
6.1. Цементация сталей.
6.2. Азотирование сталей.
6.3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и
неметаллами.
3
Тема 7. Конструкционная прочность материалов.
7.1. Критерии оценки конструкционной прочности
материалов. Прочность, надёжность, долговечность.
7.2. Методы повышения конструкционной прочности.
8
Тема 8. Конструкционные материалы.
8.1. Классификация конструкционных материалов.
8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства
сталей.
8.3. Конструкционные материалы с различными
технологическими и механическими свойствами.
Автоматные, литейные, износостойкие,
антифрикционные, рессорно-пружинные материалы.
8.4. Цветные сплавы, неметаллические и композиционные
материалы.
Алюминиевые, медные, титановые, магниевые,
бериллиевые материалы, пластмассы.
4
5
Тема 9. Специальные стали и материалы с особыми физическими
свойствами.
9.1. Коррозионно-стойкие стали и сплавы.
9.2. Жаростойкие стали и сплавы.
9.3. Жаропрочные стали и сплавы.
9.4. Материалы с особыми магнитными, тепловыми и
электрическими свойствами.
Тема 10. Инструментальные материалы.
10.1. Стали для режущего инструмента.
10.2. Стали для измерительного инструмента.
10.3. Штамповые стали.
6
4
Введение
Материаловедение называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств
материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией
материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надёжности
и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития
материаловедения.
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы
физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным
путём. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физикомеханических
свойств
материалов
способствует
дальнейшему
развития
материаловедения.
Электронная микроскопия тончайших металлических фольг и нейтронография
позволяют изучать элементы кристаллической структуры, её дефекты и закономерности
превращений под воздействием внешних факторов (температуры, давлении др.).
Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная
проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твёрдость, модуль
упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость
резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и
усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области
рационального использования различных материалов с учётом экономических
требований.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские учёные. П.П.Аносов
(1799 – 1851гг.) впервые установил связь между строением стали и её свойствами.
Д.К.Чернов (1839 – 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан
основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов
физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических
сплавах имели работы Н.С.Курнакова (1860 – 1941 гг.) и его учеников. Разработка
теории и технологии термической обработки стали связана с именем С.С.Штейнберга
(1872 -1940 гг.), Н.А.Минкевича (1883 – 1942 гг.). Исследования механизма и кинетики
фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских
учёных
С.Т.Конобеевского,
А.А.Байкова,
Г.В.Курдюмова,
В.Д.Садовского,
А.А.Бочвара, С.Т.Кишкина, Н.В.Агеева и многих других.
Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова (1828 – 1886 гг.), создавшего
теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для
получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В.Лебедева
впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука.
Среди зарубежных учёных большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов
внесли А.Ле-Шателье (Франция), Р.Аустен (Англия), Э.Бейн (США) и др.
Глава 1. Строение и свойства материалов.
В природе существуют две разновидности твёрдых тел, различающиеся по своим
свойствам: кристаллические и аморфные.
Аморфные тела при нагреве размягчатся в большом температурном интервале,
становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.
Кристаллические тела остаются твёрдыми, т.е. сохраняют приданную им форму, до
вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние.
Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве
элементарных частиц (ионов, атомов, молекул), из которых они составлены –
геометрический фактор.
Свойства кристаллов зависят:
 От электронного строения атомов.
 Характера взаимодействия их в кристалле.
 От пространственного расположения элементарных частиц.
 Химического состава.
 Размера и формы кристаллов.
В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их
выявления используют следующие понятия:
 Тонкая структура.
 Микроструктура.
 Макроструктура.
Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и
электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография,
элетронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую
при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами рентгеновских лучей можно
получить обширную информацию о строении кристаллов. Такую мелкокристаллическую
структуру наблюдают с помощью электронного микроскопа.
Микроструктура.
Микроскопические методы дают возможность определить
(объект изучения - шлиф, оборудование – микроскоп. Увеличение до 1400):
 Размер и форму кристаллов.
 Наличие различных по своей природе кристаллов.
 Их распределение и относительные объёмные количества.
 Форму инородных включений.
 Микропустоты.
 Ориентирования кристаллов.
Макроструктура. Макроанализ предусматривает изучения строения кристаллов
невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы. Этот метод
даёт возможность выявить:
 Характер излома.
 Усадочные раковины, поры.
 Размер и форму крупных кристаллов
 Трещины.
 Химическую неоднородность (ликвацию).
Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным
методом изучения материалов.
1.1 Элементы кристаллографии.
Кристаллическая решётка.
В кристалле элементарные частицы (ионы, атомы,
молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и
располагаются различно, но закономерно по разным направлениям. Наименьший
параллелепипед, в котором в узлах находятся элементарные частицы, называют
элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную
кристаллическую решётку.
Для описания элементарной ячейки кристаллической решётки используют шесть
величин:
три отрезка – период решётки a, b, c,
три угла между этими отрезками
α, β, γ. Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме
элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем.
Кристаллические системы элементов
Система
Триклинная
Моноклинная
Ромбическая
Ромбоэдрическая
Гексагональная
Тетрагональная
Кубическая
Период (рёбра)
Углы
a≠b≠c
a≠b≠c
a≠b≠c
a=b=c
a=b≠c
a=b≠c
a=b=c
α≠β≠γ
α = β = 90о γ ≠ 90о
α = β = γ =90о
α = β = γ ≠ 90о
α = β = 90о γ = 120о
α = β = γ =90о
α = β = γ =90о
В большинстве случаев решётки сложны, так как элементарные частицы находятся
не только в узлах кристаллической решётки, но и на её гранях или в центре решётки.
О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную
ячейку. В простой пространственной решётке всегда на одну ячейку приходится одна
частица. На ОЦК ячейку – две частицы. На ГЦК ячейку – четыре частицы.
Система, период, число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью
определяют расположение элементарных частиц в кристалле.
Дополнительные характеристики:
координационное число и коэффициент
компактности.
Координационное число – число ближайших и равноудалённых элементарных
частиц. (К). Для ОЦК – К8. Для ГЦК – К12. Для простой кубической решётки – К6.
Коэффициент компактности – отношение объёма всех элементарных частиц,
приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объёму элементарной ячейки.
Для простой кубической решётки – 0,52. Для ОЦК – 0,68. Для ГЦК – 0,74.
Оставшееся пространство образуют поры, которые дифференцируют
октаэдрические (восьмигранник) и тетраэдрические (четырёхгранник).
на
Кристаллографические индексы.
По параллельным направлениям свойства одинаковы, поэтому достаточно указать
для всего семейства параллельных прямых одно направление, проходящее через начало
координат (узел кристаллической решётки). Координаты этого узла выражают целыми
числами u, v, w в единицах отрезков a, b, c, заключают в квадратные скобки [u, v,
w ] и называют индексами направлений. Их всегда выражают целыми числами, а
отрицательное значение обозначается знаком минусом над индексом.
Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми
плоскостью по осям x, y, z. Эти отрезки выражают целыми числами m, n, p в
единицах отрезков a, b, c. Принято за индексы плоскостей брать обратные отрезки:
h = 1/m;
k = 1/n;
l = 1/p. Три этих числа (h, k, l) заключённые в круглые
скобки, называют
индексами плоскостей.
Если плоскость отсекает по осям
отрицательные отрезки, то это отмечается знаком минус над соответствующим индексом.
Анизотропия. (греч. anisos неравный + tropos свойства)
Это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате
упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве. В кристалле
расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а
поэтому различны и свойства. Прочность и пластичность монокристалла изменяется в
зависимости от направления. В природных условиях кристаллические тела –
поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов.
В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными. В процессе
обработки давлением поликристалла кристаллографические плоскости одного индекса в
различных зёрнах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют
текстурованными, и они, подобно монокристаллам, анизотропны.
1.2 Влияния типа связи на структуру и свойства кристаллов.
Тип связи возникающий между элементарными частицами в кристалле, определяется
электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные
частицы в кристалле сближаются на определённое расстояние, которое определяется
взаимодействием сил, действующих в кристалле. Силы притяжения возникают благодаря
взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а
также с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Силы отталкивания
возникают в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов
при их сближении. Они проявляются при сильном сближении и растут интенсивнее, чем
силы притяжения.
Уравновешивание сил происходит при сближении атомов на расстояние dо. Этому
сближению соответствует максимум энергии связи
Есв, что делает кристалл
термодинамически стабильным.
Есв определяет: температуру плавления,
температурный коэффициент линейного расширения.
испарения,
модуль упругости,
Все кристаллы по характеру превалирующей связи подразделяют:
 Молекулярные.
 Ковалентные.
 Металлические.
 Ионные.
Молекулярные кристаллы.
В кристаллах инертных газов связь Ван-дер-Ваальса единственная, а следовательно,
она определяет структуру и свойства кристаллов. Возникновение сил притяжения между
атомами объясняют мгновенной поляризацией атомов при сближении. Силы Ван-дерВаальса не имеют направленного характера, так как мгновенный диполь образуется с
каждым из соседних атомов. В результате атомы, стремясь увеличить число соседей в
кристаллической решётке, укладываются наиболее компактным образом.
Ковалентные кристаллы.
Ковалентные кристаллы образуют атомы углерода, кремния германия, сурьмы,
висмута и др. К ковалентным кристаллам относятся и многие сложные кристаллические
вещества, состоящие из разнородных атомов, например, карбид кремния, нитрид
алюминия и др. Ковалентная связь характеризуется направленностью, так как каждый
атом вступает в обменное взаимодействие с определённым числом соседних атомов.
Вследствие большой энергии связи ковалентные кристаллы характеризуются
высокими температурами плавления и испарения.
Металлические кристаллы.
В металлическом кристалле при взаимодействии с элементами других групп атомы
легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы.
Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе
как можно больше соседних атомов.
Среди металлов и некоторых неметаллов распространено явление полиморфизма –
способность в твёрдом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь
различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют
аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию
называют α, а высокотемпературные β, γ, δ и т.д.
Стабильность модификаций при определённой температуре и давлении определяется
значением термодинамического потенциала (свободной энергией G).
G = H – ST
Более стабильной при данной температуре будет модификация, имеющая меньшее
алгебраическое значение термодинамического потенциала, что может быть достигнуто
либо за счёт малой энтальпии H, либо большой энтропии S.
Энтальпия H – (греч. enthalpo нагреваю) физическая функция независимых
переменных – давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физ. Системы в
термодинамике (термодинамический потенциал).
Энтропия S - (греч. еp в, внутрь + trope поворот, превращение) мера внутренней
неупорядоченности системы.
Температурным полиморфизмом обладают около тридцати металлов. Быстрое
охлаждение может сохранить высокотемпературную модификацию в течение длительного
времени при Т = 20-25оС, так как низкая диффузионная подвижность атомов при таких
температурах не способна вызвать перестройку решётки. Кроме того известен
полиморфизм под влиянием температуры и давления (графит – алмаз).
Ионные кристаллы.
В сложных кристаллах, состоящих из элементов различной валентности, возможно
образование ионного типа связи. Представитель этой группы – кристалл оксида FeO,
решётка которого состоит из отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно
заряженных ионов железа. Перераспределение валентных электронов при ионной связи
происходит между атомами одной молекулы (одним атомом железа и одним атомом
кислорода).
1.3 Фазовый состав сплавов
Преимущественное использование в промышленности находят не чистые металлы
или неметаллы, а сплавы металлов с металлами или неметаллами.
В сплавах элементы могут различно взаимодействовать между собой, образуя
различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.
Фазой называется однородная обособленная часть металла или сплава, имеющая
одинаковые состав, строение и свойства.
Эти кристаллы в зависимости от атомно-кристаллической структуры принято делить
на два основных вида:
 Твёрдые растворы;
 Промежуточные фазы;
Твёрдыми растворами называют кристаллы, в которых сохраняется кристаллическая
решётка одного элемента растворителя.
В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решётки,
отличающийся от решёток элементов, его образующих.
Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют
классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет
прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.
Твёрдые растворы.
Такие растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Они могут
быть неограниченной растворимости для твёрдых растворов замещения и ограниченной
растворимости для твёрдых растворов замещения и внедрения.
Твёрдые растворы замещения.
Отличие в атомных радиусах компонентов не
более чем на 15% (размерный фактор).
Образование твёрдых растворов всегда сопровождается - увеличением
электрического сопротивления; твёрдые растворы менее пластичны; более твёрдые и
прочные, чем чистые металлы.
Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и
если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решётки. Например: сплав меди с
золотом, меди с никелем.
Многие твёрдые растворы замещения при относительно невысоких температурах
способны находиться в упорядоченном состоянии. «Сверхструктура» - упорядоченный
твёрдый раствор. Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит
при определенной температуре или в определённом интервале температур. Температура,
при которой твёрдый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой
Курнакова и обозначается θк.
Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твёрдых растворов
сопровождается
изменением
свойств.
При
упорядочении
возрастают
–
электропроводность, твёрдость и прочность; снижается – пластичность сплава. У
ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: например, у пермаллоев
(магнитные сплавы Fe с Ni) при упорядочении в несколько раз снижается магнитная
проницаемость. Некоторые сплавы в неупорядоченном состоянии парамагнитны, а после
упорядочения становятся ферромагнитными, например, сплавы Гейслера (Mn – Cu – Al).
Твёрдые растворы внедрения. Такие твёрдые растворы возникают при сплавлении
переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – Н, N, С, В.
Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и
встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решётки.
По мере увеличения концентрации растворённого элемента в твёрдом растворе
заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твёрдость и
прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.
Заключение: твёрдые растворы составляют основу большинства промышленных
конструкционных сплавов и сплавов специального назначения. Они отличаются хорошей
технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие
и в холодном состоянии.
Промежуточные фазы.
Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип
кристаллической решётки, отличающийся от решёток составляющих их элементов,
называют промежуточной фазой.
Промежуточные фазы обозначают так же, как и твёрдые растворы, буквами
греческого алфавита.
Замечено, что структура промежуточной фазы зависит от трёх факторов:
 относительного размера атомов;
 их валентности;
 от положения в периодической системе элементов, что определяет их
электронную структуру.
С и с т е м а металл – неметалл



фазы с ионным типом связи (оксиды металлов – Fe3O4);
фазы с металлическим типом связи, образуются при взаимодействии
переходных металлов с С, N, В и Н (карбиды, нитриды, бориды, гидраты);
фазы внедрения – они имеют кристаллические решётки, типичные для чистых
металлов (ГПУ и ГЦК). Типа МеХ, Ме2Х. Карбиды и нитриды,
относящиеся к фазам внедрения, присутствуют в структуре многих
коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных конструкционных
сталей. Карбиды TiC, TaC, WC, W2C служат основой спеченных твёрдых
сплавов для режущих инструментов. Использование таких сплавов позволило
увеличить скорость резания в десятки раз.
С и с т е м а металл – металл



электронные фазы. Это фазы переменного состава, обозначают β, γ, ε
фазы. Электронные соединения присутствуют в структуре многих сплавов
на медной основе: латунях (Сu – Zn), бронзах (Cu – Al, Cu – Sn и др.);
они являются упрочняющими фазами.
фазы Лавеса. Это промежуточные фазы практически постоянного состава
АВ2 образуются при взаимодействии металлов самых различных групп
периодической таблицы элементов; образования их определяется
размерным фактором; атомный радиус элементов В меньше , чем атомный
радиус элемента А, на 20 – 30%.
Фазы Лавеса, образованные
переходными металлами (NbFe2, MoFe2, TiFe2, TiCr2), присутствуют в
структуре некоторых сплавов и способствуют их упрочнению.
сигма-фазы. Это фазы переменного состава образуются при сплавлении
переходных металлов, имеющих близкие размеры атомов; σ – фазы
имеют частично упорядоченную сложную решётку.
В железных сплавах, содержащих больше 20% Сr, которые
используются как коррозионно-стойкие конструкционные материалы,
очень медленное охлаждение из области твёрдого раствора или
изотермические выдержки при 800 – 600оС приводят к образованию
кристаллов σ – фазы, которое сопровождается резким увеличением
твёрдости и охрупчиванием сплавов.
1.4 Дефекты кристаллов.
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах
всегда содержатся дефекты, а потому нет идеально правильного расположения атомов во
всём объёме кристалла.
Дефекты кристаллов подразделяют:
 точечные;
 линейные;
 поверхностные;
Точечные дефекты. К ним относятся: вакансии,
вещества, чужеродные атомы внедрения.
межузельные атомы основного
Вакансии – являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они
ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузия, спекание
порошков и т.д.
В технически чистых металлах точечные дефекты повышают
электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших
концентрациях дефектов в облучённых металлах понижается пластичность и заметно
изменяются другие свойства.
Линейные дефекты – краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в
сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций
решётка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. У
краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен
дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.
Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объёма.
В полупроводниковых кристаллах она равна 104 – 105 см-2, у отожженных металлов 106 –
108 см-2, у деформированных она достигает свыше 1011 – 1012 см-2. Попытка увеличить
плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.
Дислокации появляются при кристаллизации. Они наряду с другими дефектами
участвуют: в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами
при выпадении второй фазы из твёрдого раствора.
Вдоль дислокации скорость
диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решётку без
дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности
примесей внедрения, так как это уменьшает искажение решётки. Примесные атомы
образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую
атмосферы Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняют металл.
Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря
подвижным дислокациям экспериментально определённый предел текучести металлов в
1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности
дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по
сравнению с отожжённым состоянием. Прочность бездефектных кристаллов «усы»
приближается к теоретической прочности.
В полупроводниках дислокации влияют на электрические и другие свойства,
снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение
дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие плёночные
кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко
перемещаются атомы примеси.
Поверхностные дефекты.
Наиболее важными поверхностными дефектами
являются большеугловые и малоугловые границы,
дефекты упаковки,
границы
двойников. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зёрен. В
соседних зёрнах решётки ориентированны различно и граница между зёрнами
представляет переходный слой. В нём нарушена правильность расположения атомов,
имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.
Границы между зёрнами называются большеугловыми, так как соответственные
кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы в десятки градусов.
Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзёрен и блоков.
Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения.
Границы субзёрн представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на
отдельные субзёрна и блоки. Угол взаимной разориентации между соседними субзёрнами
невелик (не более 5о), поэтому такие границы называются
малоугловыми. На
малоугловых границах также скапливаются примеси.
Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную
дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных
слоёв.
Выводы.
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства
материалов. Особенно больше значение имеют границы зёрен. Предел текучести σt
связан с размером зёрен d зависимостью σt = σо + k d-1/2, где σо и k – постоянные
для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и
меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на
механические свойства размер субзёрен.
Вдоль границ зёрен и субзёрен быстро протекает диффузия, особенно при нагреве.
Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение
концентрации дефектов – всё это отражается на свойствах и имеет большое практическое
значение.
1.5 Диффузия в металлах и сплавах.
Диффузия – перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением
концентрации компонентов в отдельных зонах сплава.
Самодиффузия – переход атомов металла из узла кристаллической решётки в
соседний или межузлие под действием теплового возбуждения.
Механизмы диффузии (самодиффузии):
 обменный;
 циклический;
 межузельный;
 вакансионный и др.
Однако реализуется тот механизм диффузии (самодиффузии), при котором
окажется наименьшей величина энергетического барьера (энергии активации),
преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил
межатомной связи и дефектов кристаллической решётки, которые облегчают
диффузионные переходы.
Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации,
фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами.
1.6 Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой (в
основном органические вещества, у которых молекулы имеют удлинённую форму).
Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между
кристаллами и жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы
текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как
кристаллы.
При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная
молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и
поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого кристалла часто
называют точкой просветления.
По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса:
1. нематические – молекулы выстроены в цепочки;
2. смектические – молекулы образуют параллельные слои;
3. холестерические – молекулы размещаются по пространственной спирали.
Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления,
электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами
путём слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для
изготовления особо чувствительных индикаторов, а в смеси с красителями в цветовых
устройствах.
На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры для контроля
перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в
видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает
жидкий кристалл так, что изменяется окраска отражённого света. Жидкие кристаллы
применяют в модуляторах, системах отображения информации – калькуляторах, ручных
часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового
потока и др.
1.7 Структура полимеров, стекла и керамики.
Полимерами – называют вещества с большой молекулярной массой, у которых
молекулы состоят из одинаковых групп атомов – звеньев (мономера). Мономеры
объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или
макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентной связью. В зависимости от
характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют:
 термопластичные;
 термореактивные.
Термопластичные полимеры способны многократно размягчатся при нагреве и
твердеть при охлаждении без изменения своих свойств.
Термореактивные полимеры при нагреве остаются твёрдыми вплоть до полного
термического разложения.
В зависимости от свободного объёма полимерное вещество находится в одном из
физических состояний:
 стеклообразном;
 высокоэластичном;
 вязкотекучем;
Различие между физическими состояниями полимеров наглядно проявляется при
деформировании.
В стеклообразном состоянии – у полимера под нагрузкой упругая деформация не
превышает нескольких процентов и падает до нуля при снятии нагрузки.
В высокоэластичном состоянии – полимер под нагрузкой может достигать
деформации до 500 – 800%. После снятия нагрузки макромолекулы возвращаются к
равновесным формам, и поэтому высокоэластичная деформация обратима.
В вязкотекучем состоянии – полимер ведёт себя как вязкая жидкость. Главную
часть деформации составляет необратимое вязкое течение. Течение прекращается после
прекращения действия нагрузки, и вязкая жидкость сохраняет полученную форму.
Стекло представляет собой аморфное вещество, образующееся при сплавлении
оксидов или безоксидных соединений. Основу стекла образует объёмная сетка из
однородных структурных элементов. Структура аморфного стекла возникает при
охлаждении стеклянной массы, когда повышение её вязкости препятствует
кристаллизации.
Основную массу промышленных стёкол составляют силикатные стёкла с
добавками других оксидов. В силикатных стёклах атомы соединяются ковалентноионными связями; в объёмную сетку кроме кремния и кислорода входят также алюминий,
титан, германий, бериллий; ионы щелочных и щёлочно-земельных металлов размещаются
в ячейках этой сетки. Усложнение химического состава силикатных стёкол приводит к
изменению их свойств, в том числе и света, и является причиной структурной
неоднородности.
Керамикой
называют материалы, полученные при высокотемпературном
спекании минеральных порошков. Характерной особенностью керамических материалов
является хрупкость.
Пористую керамику используют в качестве огнеупорных материалов, фильтров,
диэлектриков в электротехнике. Более прочную плотную керамику применяют для
некоторых деталей машин.
Ситаллы или стеклокристаллические материалы
получают из стёкол
специального состава при помощи контролируемой кристаллизации.
Фотоситаллы применяют как фоточувствительные материалы.
Термоситаллы имеют универсальное применение: как износостойкие материалы
используются для деталей гидромашин, узлов трения, защитных эмалей; как прочные
стабильные диэлектрики - для радиодеталей, плат и т.п.
Формирование структуры литых материалов
Переход металла из жидкого состояния в твёрдое с образованием кристаллической
структуры называется первичной кристаллизацией.
Образования новых кристаллов в твёрдом кристаллическом веществе называется
вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).
Процесс кристаллизации состоит из двух одновременных процессов:
 зарождение кристаллов;
 линейный рост кристаллов;
Кристаллы
могут
зарождаться
самопроизвольно
(самопроизвольная
кристаллизация) или зарождаться и расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации
(несамопроизвольная кристаллизация).
1. Самопроизвольная кристаллизация (гомогенная)
Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь
более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического
потенциала
G , характеристика свободной энергии системы. Второй закон
термодинамики – любая система всегда стремится занять то состояние, чтобы она
обладала min свободной энергией.
Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества как в
твёрдом, так и в жидком состояниях равны, называется равновесной температурой
(термодинамической температурой) ТG.
G = Е – ТS + РV
где
(по Гельмгольцу)
G – термодинамический потенциал, свободная энергия системы,
Е – внутренняя энергия системы,
Т – термодинамическая температура
S – энтропия (функция состояния: порядка и беспорядка, связанное с
поступательным и колебательным движением),
РV – работа внешних сил (давление на объём)
G = Н – ТS
где
Н – энтальпия (Е + РV)
(по Гиббсу)
сумма работ внутренних и внешних сил.
Поскольку жидкий металл с присущим ему ближним порядком в расположении
атомов обладает большей внутренней энергией, чем твёрдый со структурой дальнего
порядка, при кристаллизации выделяется теплота.
Разница между равновесной (ТG.) и реальной (Тр) температурой кристаллизации
называется степенью переохлаждения (Δ Т). При переохлаждении жидкости некоторые
группировки атомов, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способны к росту. Эти
устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами).
Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т.е. отклонение энергии
группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего
значения.
Появление зародышей изменяет термодинамический потенциал (свободную
энергию) всей системы. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое
состояние термодинамический потенциал G уменьшается (-), с другой стороны, он
увеличивается (+) вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и
кристаллическим зародышем.
Суммарное изменение Δ Gобщ определяется:
Δ
где
Gобщ =
- 4/3 π r3 Δ
Gv + 4 π r2γ Δ Gs
r – радиус образовавшихся зародышей,
4/3 π r3 – объём зародыша (шара), см3,
4 π r2 – поверхность зародыша (шара), см2,
γ – удельное поверхностное натяжение на границе кристалл + жидкость
Дж/см2 (Н/м),
- Δ Gv – изменение термодинамического потенциала с образованием
зародышей,
+ Δ Gs - изменение термодинамического потенциала с образованием
поверхности раздела.
rкр, т.е. когда он будет устойчивым и начнёт расти,
определяют следующим образом – первая производная от Δ Gобщ по r и прировнять к
Критический размер зародыша
нулю.
Кинетика кристаллизации. Скорость образования зародышей, образующихся в
единицу времени в единице объёма (1мм-3с-1); скорость роста – увеличением линейных
размеров растущих кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с
перемещением атомов и зависят от температуры (степени переохлаждения Δ Т).
При небольших степенях переохлаждения Δ Т, когда велик зародыш критического
размера rкр, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется
крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при
заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью или в подогретую
металлическую форму.
Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные
металлические формы, а также при уменьшении толщины стенки отливки. Поскольку при
этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, скорость их
роста, получаются более мелкие кристаллы.
2. Несамопроизвольная кристаллизация (гетерогенная)
В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующих структур в
значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими
центрами являются:
 тугоплавкие частицы неметаллических включений;
 оксиды;
 интерметаллические соединения, образуемых примесей.
Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размеров
кристаллов при затвердевании металла. В жидком металле могут присутствовать и
растворённые примеси, которые также вызывают измельчение структуры.
Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла.
На практике для измельчения структуры металла и сплавов широко применяют
технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в
жидкий сплав перед заливкой специальных добавок - модификаторов (бор в сталь,
натрий в алюминий и его сплавы). Подстуживание металла перед заливкой до температур,
незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьшению
размера зерна.
3. Форма кристаллов и строение слитка
Форма и размер зёрен, образующихся при кристаллизации, завися:
 скорости и направления отвода тепла;
 температуры жидкого металла;
 содержание примесей.
Рост зёрен происходит по дендритной (древовидной) схеме. Установлено, что
максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и
направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. Дендриты растут
до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. Их рост преимущественно в
направлении, обратном отводу тепла.
Структура слитка зависит от многих факторов:
 количество и свойства примесей в чистом металле;
 количества легирующих элементов в сплаве;
 температуры разливки сплава;
 скорости охлаждения при кристаллизации и т.д.
Типичная структура слитка сплавов состоит из трёх зон:
 мелкие равноосные кристаллы на поверхности слитка, из-за большой
степени переохлаждения;
 столбчатые кристаллы, наиболее благоприятно ориентированные по
отношению к теплоотводу, расположенные нормально к стенкам формы;

равноосные кристаллы больших размеров в середине слитка, где
наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается
направленного отвода тепла.
Применяя различные технологические приёмы, можно изменить количественное
соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще.
Структура, состоящая из одних столбчатых кристаллов, называется
транскристаллитной. Встречается у слитков очень чистых металлов.
Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Например, в слитках стали по
направлению от поверхности к центру и снизу в вверх увеличивается концентрация
углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по
отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на
механические свойства сплава. В реальных сплавов кроме зональной встречаются и
другие виды ликвации.
4. Аморфное состояние металлов
При сверхвысоких скоростях охлаждения (106 оС/с) из жидкого состояния
диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование
зародышей и рост кристаллов. В этом случаи при затвердевании образуется аморфная
структура (аморфные сплавы или металлические стёкла).
Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства,
значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической
структурой (особенно физических свойств). Удельное электрическое сопротивление
аморфных металлов 2 -3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической
структурой.
Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность,
твёрдость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью.
Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных
металлов виде лент, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при
литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение,
промежуточные отжиги, зачистки, травление.
В настоящее время аморфная структура получена у более чем 20 чистых металлов
и полупроводниковых материалов и более 110 сплавов. Это сплавы легкоплавких,
редкоземельных и переходных металлов. Для образования аморфной структуры
переходных металлов к ним необходимо добавлять так называемые аморфообразующие
элементы. При этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле М80 Х20, где М –
один или несколько переходных металлов;
Х – элементы, для образования и
стабилизации аморфной структуры.
Влияние химического состава
на равновесную структуру сплавов.
Диаграммы состояния.
Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы
образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих
факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным
соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния.
Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:
 формирования структуры любого сплава;
 определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых
деталей;
 оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения
химической неоднородности;
 сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
 определить режим термической обработки, необходимый для данного
сплава.
1. Методы построения диаграмм состояния.
Диаграммы состояния строят в координатах температура – химический состав
сплава. Таким образом, диаграмма состояния представляет собой графическое
изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и
химического состава сплава.
Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз,
дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов
превращения для установления равновесного состояния системы.
Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям
равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз
(Гиббса).
Правило фаз даёт возможность:
 предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и
охлаждении;
 оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной
температуре или в интервале температур;
 указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.
Так как диаграммы состояния обычно строятся при постоянном (атмосферном)
давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:
С=К+1–Ф
где К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней
свободы(или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых
переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов,
которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
Известно, что в равновесном состоянии могут быть только те составы фаз в
системе, которые имеют минимальную свободную энергию (термодинамический
потенциал) при данной температуре.
Если в двойной системе насчитываем число фаз больше трёх, это значит, что
сплав не находится в равновесном состоянии или неправильно определено число фаз или
компонентов.
Для однофазного состояния правило фаз не применяют.
2. Диаграмма состояния сплавов, компоненты
растворимы в жидком и твёрдом состоянии.
которых
полностью
Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями
любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой
температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.
 Правило концентраций – правила определения состава фаз;
 Правило отрезков – правило определения количественного определения
фаз.
3. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых
растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику.
ограниченно
Эвтектическое превращение ЖC → αE + βF
4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно
растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику.
Перитектическое превращение
Жd + βf → αc
5. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из
компонентов.
6. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями
компонентов и эвтектойдным превращением.
Эвтектойдное превращение
γC → αE + βF
7. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.
Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о
котором можно судить по диаграмме состояния.
Упрочнение при сохранении пластичности твёрдых растворов используют на
практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве 2%)
прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10%. Растворение
алюминия (в количестве 5%) в меди повышает прочность сплавов в 2 раза, а
пластичность остаётся на уровне пластичности меди.
Твёрдые растворы обладают и другими уникальными физическими и химическими
свойствами. При растворении Ni (в количестве 30%) в железе теряются ферромагнитные
свойства при температурах 20 – 25оС; раствор, содержащий более 13% Cr, делает железо
коррозионностойким. В связи с этим твёрдые растворы получили широкое применение не
только как конструкционные материалы, но и как материалы с особыми физическими
свойствами.
Большой практический интерес представляют технологические свойства твёрдых
растворов.
Сплавы в состоянии твёрдых растворов хорошо обрабатываются давлением и
трудно – резанием.
Литейные свойства твёрдых растворов, как правило, не
удовлетворительны. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.
Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твёрдостью,
температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).
Закономерности, отмеченные Н.С.Курнаковым, являются основой при разработке
составов сплавов с заданными свойствами.
8. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.
Fe – C
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет
диаграмма состояния системы Fe – C. Это объясняется тем, что в технике наиболее
широко применяют железоуглеродистые сплавы.
Имеются две диаграммы Fe – C:
 метастабильная - Fe – Fe3C;
 стабильная Fe – Гр.
Компоненты и фазы в сплавах Fe - С. Железо и углерод – элементы полиморфные.
Железо с температурой плавления 1539оС имеет модификации –
911оС
1392оС
α
и
γ.
1539оС,
Модификация Feα существует при температурах до
и от
до
имеет
ОЦК решётку. Важной особенностью Feα является его феррамагнетизм ниже
температуры 768оС, называемой точкой Кюри.
Модификация Feγ в интервале температур от 911 до 1392оС и имеет ГЦК решётку.
ГЦК решётка более компактна, чем ОЦК решётка. В связи с этим при переходе Feα в Feγ
объём железа уменьшается приблизительно на 1%. Feγ – парамагнитно.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных
условиях стабилен графит, при высоких давлениях и температурах стабильным
становится алмаз.
Фазы в сплавах Fe - С.
 жидкий раствор;
 феррит - Ф
 аустенит - А
 цементит - Ц
 свободный углерод в виде - Гр.
Ф
феррит - твёрдый раствор внедрения углерода в Feα. Различают
низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Столь низкая растворимость
углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решётке.
Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях,
дислокациях). Механические свойства Ф:
КСU = 2,5 МДж/м2; 80-100 НВ;
σв = 300МПа;
δ = 40%;
ψ = 70%;
А
аустенит - твёрдый раствор внедрения углерода в Feγ . Он имеет ГЦК
решётку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решётке, поэтому
растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит
пластичен, но прочнее феррита (160-200 НВ) при температуре 20 – 25оС.
Ц цементит – карбид железа Fe3C (почти постоянного состава, 6,67%С).
Имеет
сложную ромбическую решётку. При нормальных условиях цементит твёрд (800НВ) и
хрупок. Теряет ферромагнетизм при Т = 210оС. Температура плавления цементита трудно
определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260оС при
нагреве лазерном лучом.
Г
графит – углерод (100%), выделившийся в железоуглеродистых сплавах в
свободном состоянии имеет гексагональную кристаллическую решётку. Графит
электропроводен, химически стоек, малопрочен мягок.
Превращение в сплавах системы Fe – C.
Диаграмма состояния Fe – Fe3C
характеризует фазовый состав и превращения в системе железо – цементит (6,67%С).
Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание
углерода и цементита.
Превращение в сплавах системы Fe – Fe3C происходит как при затвердевании
жидкой фазы, так и в твёрдом состоянии. Первичная кристаллизация идёт в интервале
температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНJECF). Вторичная
кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и
переменной растворимостью углерода в аустените и феррите;
при понижении
температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов
выделяется в виде карбидов (цементита).
В системе Fe – Fe3C происходят три изотермических превращения:
 перитектическое превращение на линии HJB (1499оС)
ФН + ЖВ → АJ
 эвтектическое превращение на линии ЕСF (1147о)

ЖС → АЕ + Ц
эвтектойдное превращение на линии РSК (727оС)
АS → ФР + Ц
ТАБЛИЦА 1. Характерные точки и линии диаграммы состояния Fe – Fe3C
Обозначение
Температура, Концентрация
точки и линии на
Характеристика линии
оС
углерода, %
диаграмме
1
2
3
4
А
1539
0
АВСD
ликвидус – начало кристаллизации
АHJECF
солидус – конец кристаллизации
Н
1499
0,1
J
1499
0,16
В
1499
0,51
N
1392
0
NH и NJ- А4
Линии полиморфного превращения
D
1260
6,67
Е
1147
2,14
1
2
3
4
С
1147
4,3
F
1147
6,67
ECF
1147
G
GP и GS – А3
911
Линия эвтектического превращения
0
Линии полиморфного превращения
Линии ограниченной растворимости углерода в аустените и феррите
соответственно
Линия эвтектойдного превращения
ES и PQ
PSK
Р
S
К
727
727
727
727
0,025
0,8
6,67
Q
400
0,008
DFKL
6,67
Растворимость углерода в феррите
при комнатной температуре
Линия показывает, что Fe3C имеет
постоянную концентрацию при
любой температуре
ПРИМЕЧАНИЕ: цементит, выделяющейся из жидкости, называют первичным;
цементит, выделяющейся из аустенита, – вторичным; цементит, выделяющейся из
феррита, - третичным.
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы:


стали, содержащие до 2,14% С;
чугуны, содержащие более 2,14% С.
Кристаллизация сталей.
Кристаллизация чистого железа протекает
о
изотермически при температуре 1539 С, а сплавы железо с углеродом – в интервале
температур.
При Т = 14990С протекает перитектическая реакция Фн + Жв → АJ. Кристаллы
феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуют кристаллы аустенита состава точки
J.
Согласно правилу фаз перитектический процесс идёт изотермически и при
постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно
нулю.
Все сплавы лежащие ниже линий NJ и JЕ, находятся в твёрдом состоянии и имеют
аустенитную структуру.
Превращение сталей в твёрдом состоянии.
Большинство технологических
операций (термическая обработка, обработка стали давлением и др.) проводят в
твёрдом состоянии, поэтому более подробно рассматриваются превращения сталей при
температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).
Эвтектойдное превращение идёт при постоянной температуре (727оС) и составе
фаз (феррит 0,02%С, цементит 6,67%С ), так как в процессе одновременно участвуют
три фазы (Ф, Ц, А), и число степеней свободы равны нулю.
Превращения чугунов.
В сплавах с содержанием углерода более 2,14% С при
кристаллизации происходит эвтектическое превращение.
Такие сплавы называют белыми чугунами.
Сплав с концентрацией 4,3% С – эвтектиеский белый чугун кристаллизуется при
эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз:
аустенита состава точки Е и цементита. Образующая смесь этих сплавов при Т = 1147оС
названа ледебуритом. Ж → А + Ц.
При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по
линии ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектойдного
превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии РSК аустенит в
ледебурите претерпевает эвтектойдное превращение в перлит.
Превращение в сплавах системы Fe –Гр.
Чтение диаграммы состояния
железо – графит принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния железо
цементит. Но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Графит имеет
сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и
графит эвтектоида, как правило, выделяется на лепестках первичного и эвтектического
графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с
диаграммой железо – графит только при весьма медленном охлаждении и наличии
графитизирующих добавок (Si, Ni, и др.).
9. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей.
В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Cr, Ni,
Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, B и некоторые другие.
Почти все легирующие элементы изменяют:
 температуру полиморфных превращений железа;
 температуру эвтектойдной и эвтектической реакций;
 растворимость углерода в аустените;
 взаимодействия с углеродом образуют карбиды;
 взаимодействия друг с другом или с железом образуют интерметаллиды.
Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях
в твёрдом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. При нагреве –
индекс с, при охлаждении – r. Магнитные превращения не имеют гистерезиса.
А0 – т. Кюри, магнитное превращение в цементите. Т = 2300С
А1 – эвтектойдная температура, линия РSК. Т = 7270С
А2 – т. Кюри, магнитное превращение в феррите. Т = 7680С
А3 – температура полиморфного превращения, линия GS. γ →
α
δ→γ
А4 – температура полиморфного превращения, линия NJ.
Асm – температура ограниченной растворимости углерода в аустените, линия SE.
По влиянию на температуры А3 и А4 легирующие элементы можно разбить на
две группы:
 в первую группу входят элементы, которые понижают А3 и повышают А4.
К ним относятся Ni, Mn, C, N и др. Такие сплавы называют –
аустенитными сталями.
 во вторую группу входят элементы, которые повышают А3 и понижают
А4. Таких элементов большинство Cr, Mo, W, V, Si, Ti и др. Такие сплавы
называют – ферритными сталями.
Замкнутая α – область
Замкнутая γ – область
Замкнутые α и γ– области
Карбиды в легированных сталях.
В сталях карбидообразующими являются
следующие элементы: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti. 1 – 2% карбидообразователей не
приводит к образованию карбидов, образуется только легированный цементит, мало
отличающийся по свойствам от обычного цементита.
Легированный цементит записывают обычно как (Fe, Cr)3 С или (Fe, Mn)3 С или в
общем виде Ме3С.
Сильные карбидообразователи – Mo, W, V, Ti – образуют с углеродом фазы
внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МС или М2С. Фазы
внедрения, отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически нерастворимы в
аустените. Для распада и растворения таких фаз, сталь необходимо нагревать до
температур ~ 1300оС. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение
аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.
Таким образом, в зависимости от легирующего элемента и его количества в
структуре легированных сталей могут встретиться следующие типы карбидов:
 хорошо растворимые в аустените карбиды типа М3С;
 трудно растворимые карбиды типов М7С3, М23С6, М6С;
 почти нерастворимые в твёрдом состоянии карбиды типа МС.
Влияние легирующих элементов на температуры фазовых превращений сталей
при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы.
Под влиянием легирования изменяется положение узловых концентрационных
точек диаграммы
Fe – Fe3C.
Большинство легирующих элементов уменьшает
растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу
линии SE влево, в сторону меньших концентраций углерода.
Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е) наиболее резко
уменьшается под влиянием элементов, замыкающих γ – область в безуглеродистых
сплавах: Cr, Si, W, V, Ti. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов
ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем не в
легированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали, легированной 10 – 11%
Cr, ледебурит появляется в структуре при содержании углерода ~ 1%. Характерно, что
небольшое количество ледебуритной эвтектике при пониженном содержании углерода не
снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как
нелегированный белый чугун (С > 2,14%) теряет способность к обработке давлением даже
при малых количествах эвтектической составляющей структуре.
В связи с этим легированные стали, содержащие ледебуритную составляющую,
относятся к сталям, а не к белым чугунам и классифицируют как ледебуритные.
Формирование структуры
деформированных металлов и сплавов
1. Пластическая деформация моно- и поликристаллов.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием
внешних (иногда внутренних напряжений) сил.
Деформацию подразделяют на:
 упругую (обратимую);
 пластическую (необратимую или остаточную).
Способность металлов пластически деформироваться называют пластичностью. При
пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд
свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность, но
уменьшается пластичность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность
деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений.
Диаграмма растяжения металлов.
Напряжения Истинные
Нормальные
S
Касательные
t
Условные
σ
τ
т.1 – предел пропорциональности (прямолинейный участок), тангенс угла наклона
этого участка характеризует модуль упругости, Е.
т.2 – предел упругости, нарушается линейная зависимость между нагрузкой и
деформацией из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решётки.
Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которую используют
для упругих элементов приборов и машин.
т.3 – предел текучести (условный) – это напряжение, которому соответствует
пластическая деформация 0,2%; его обозначают σ0,2. Предел текучести (физический) σт
определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Так
как металл упрочняется в процессе деформирования, то наступает момент, когда выбрана
вся пластичность и для дальнейшей деформации требуется повышения напряжений.
Упрочнение металла при деформировании называют наклёпом.
т.4 – предел прочности (временное сопротивление) σв характеризует максимальную
несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению,
σв = Р/F0
Пластичность характеризуется относительным удлинением
сужением ψ:
δ = [(lк – l0) / l0 ] * 100,
ψ = [(F0 –Fк) / F0 ] * 100.
δ
и относительным
Допустимые напряжения, которые используют в расчётах, выбирают меньше
σ0,2
(обычно в 1,5 раза) или меньше σв (в 2,4 раза).
Ударная вязкость - сопротивление материала разрушению при динамических
нагрузках. Её определяют как удельную работу разрушения призматического образца с
концентратором (надрезом) посредине одним ударом маятникового копра: КС = К/Sо (К –
работа разрушения; S – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).
Ударную вязкость (МДж / м2) обозначают КСU, KCV, КСТ. Буквы КС означают
символ ударной вязкости, U, V, T – вид концентратора.
Механизм пластической деформации
Пластическая деформация в монокристалле осуществляетя путём сдвига одной
части кристалла относительно другой. Сдвиг вызывает касательные напряжения, когда
их значение превышает критическое τк.
Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование.
Скольжение – основной вид сдвига в металлах и сплавах. Деформация
двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение,
зеркально симметричное к его недеформированной части и наблюдается лишь при низких
температурах или высоких скоростях деформирования.
Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно
другой на одно межатомное расстояние.
В идеальном кристалле, в котором нет дефектов структуры, в скольжении должны
одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Для такого
синхронного «жёсткого» сдвига требуется, как показывают расчёты, критическое
касательное напряжения равное теоретической прочности кристалла. В реальных
кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние требуется напряжение в 1000 раз
меньше теоретического значения. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена их
структурным несовершенством.
Пластическая деформация в реальных
последовательного перемещения дислокаций.
кристаллах
осуществляется
путём
При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете передаётся
от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя при этом каждый
соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется до тех пор пока дислокация не
выйдет на поверхность кристалла, образуя ступеньку. Высота ступеньки при этом
увеличивается пропорционально числу дислокаций, выходящих на поверхность
кристалла. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения.
Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на
различном расстоянии друг от друга. Группы близко расположенных линий скольжения
образуют полосы скольжения.
Начальную стадию деформации называют стадией лёгкого скольжения. С ростом
деформации скольжение распространяется на другие системы, и возникает множественное
скольжение. На этой стадии дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях;
возрастает сопротивление их движению, и образуется сложная дислокационная структура
(сетки дислокаций). Плотность дислокаций может достигать от 108 до 1012 см -2 (более
высокую плотность получить нельзя из-за появления трещин и разрушения металла). Чем
больше дислокаций, тем труднее деформируется металл.
Таким образом – в основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде
всего, повышение плотности дислокаций.
Пластическая деформация поликристаллических кристаллов.
При деформировании поликристаллов отсутствует стадия лёгкого скольжения,
деформация зёрен начинается сразу по нескольким системам скольжения и
сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока общая деформация
мала, порядка 1%, зёрна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по
отношению к приложенным нагрузкам. С ростом деформации различия между зёрнами
уменьшаются и изменяется микроструктура:
зёрна постепенно вытягиваются в
направлении пластического течения (образуется волокнистая структура).
При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая
ориентация зёрен, которая называется текстурой деформации. Текстура деформации –
это результат одновременного деформирования зёрен по нескольким системам
скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристаллической структуры металла,
наличие примесей и условия деформирования.
Текстура деформации делает металл анизотропным.
Деформирование двухфазных сплавов.
У двухфазных сплавов характеристики прочности выше, а пластичности ниже по
сравнению с однофазными. При равных условиях в двухфазных сплавах образуются более
сложные текстуры деформации. Процесс деформирования двухфазных сплавов зависит не
только от свойств второй фазы и её содержания в сплаве, но и характера распределения
этой фазы в структуре. Если хрупкая вторая фаза располагается в виде непрерывной сетки
по границам зёрен, то сплав окажется хрупким. Если такое же количество второй фазы
разместится в виде отдельных зёрен в пластичной матрице, то сплав сохранит
пластичность, а присутствие второй фазы проявится в упрочнении.
Свойства пластически деформированных металлов.
В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется,
изменяются его физические и механические свойства. Свойства наклёпанного металла
изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.
При деформировании:
 увеличиваются прочностные характеристики (твёрдость, предел прочности,
текучести, упругости);
 понижаются пластичность и вязкость;
 возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила;
 понижаются магнитная проницаемость, статочная индукция и плотность
металла.
Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному
растрескиванию.
Образования текстуры деформации вызывают анизотропию свойств.
Несмотря на снижение пластичности, наклёп широко используют для повышения
прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением.
Снижение пластичности при наклёпе улучшает обрабатываемость резанием вязких и
пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).
2. Возврат и рекристаллизация.
Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства
металлов устойчива при температуре 250 С. Переход металла в более стабильное
состояние происходит при нагреве.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии:
 Возврат;
 Рекристаллизация;
Обе стадии сопровождаются выделением тепла и уменьшением свободной энергии.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не
сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и
форма зёрен при возврате не изменяются.
Рекристаллизацией
называют зарождение и рост новых зёрен с меньшим
количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно
новые, чаще всего равноосные кристаллы.
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после
деформации, степень которой превышает определённое критическое значение, которое
называется критической степенью деформации. Если степень деформации меньше
критической, то зарождение новых не деформированных зёрен при нагреве не
происходит. Критическая степень деформации не велика (2 – 8%).
Существует также температура рекристаллизации; это наименьшая температура
нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зёрен.
Трекр = аТпл
Значение а зависит от чистоты металла, степени пластической деформации,
количества примесей, а также тугоплавкость металлов.
Зарождение новых зёрен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей
плотностью дислокаций, обычно на границе деформированных зёрен. Чем выше степень
пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.
Стадия рекристаллизации подразделяется на три этапа:
1.
Первичная
рекристаллизация,
которая
включает
образование
субмикроскопических областей, с образованием новых высокоугловых границ между
центрами рекристаллизации и деформированной основой.
2.
Собирательная рекристаллизация. С течением времени образовавшиеся
центры новых зёрен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от
деформированного окружения к более совершенной решётке; при этом большеугловые
границы новых зёрен перемещаются в глубь наклёпанного металла.
3.
Вторичная рекристаллизация, когда происходит анамальный рост
отдельных кристаллов. Дефектная структура.
Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного
металла.
Деформирование металла подразделяют на холодное и горячее в зависимости от
температуры.
Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл
наклёпывается и сохраняет наклёп.
Горячее деформирование проводят выше температуры рекристаллизации, когда
получаемый наклёп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией.
Надо помнить, что пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера
зёрен. С уменьшением размера зёрен вязкость улучшается. Размер зёрен, образующихся в
результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и
от температуры, при которой происходила рекристаллизация.
Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств
нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и
анизотропии не обнаруживают.
Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется
предпочтительная ориентация зёрен, которую называют текстурой рекристаллизации.
Её вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и
количества
примесей,
технологических
факторов.
Образование
текстуры
рекристаллизации имеет практическое значение для металлов с особыми физическими,
когда требуется улучшить то или иное свойство в определённом направлении изделия.
Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры даёт возможность
уменьшить потери на перемагничивание по определённым направлениям листа.
Дополнение
Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем
деформировании металлов с ультрамелким зерном (0,5 – 10 мкм). При низких скоростях
деформирования (10 -5 – 10 -1 с -1) металл течёт равномерно, не упрочняясь, относительные
удлинения достигают 10 2 – 10 3 %.
Огромные деформации в сверх пластичном состоянии складываются из
зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений)
диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерна. Очень важно
сохранить мелкозернистую структуру в течение всего периода деформирования при
температуре выше 0,5 Т пл (порядка десятков минут).
Сверпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма
сложной формы при помощи пневматического формования листов или объёмного
прессования.
Термическая обработка металлов и сплавов
1. Определение и классификация.
Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из
нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры
и свойств.
Основные виды термической обработки – отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый
из указанных видов имеет несколько разновидностей.
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы
приобретают структуру, близкую к равновесной:
отжиг вызывает разупрочнение
металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных
напряжений.
Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной
разновидности отжига;
скорость охлаждения с температуры отжига обычно не велика,
она лежит в пределах 30 – 200 о С/ч.
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется
неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно
получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твёрдом
состоянии:
 Полиморфные превращения твёрдых растворов;
 Переменная растворимость твёрдых растворов;
 Распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектойдной реакции и
др.
Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры
фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы
предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Цель закалки – повысить
твёрдость, износостойкость. Эти характеристики повышаются с увеличением углерода в
сплаве.
Примечание :
если в результате закалки при температуре 20 – 25оС фиксируется
состояние высокотемпературного твёрдого раствора, значительного упрочнения сплава
непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создаётся при
повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20 –
25оС.
Отпуск и старение – термическая обработка, в результате которой в
предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие
их структуру к равновесной (распад пересыщенного твёрдого раствора).
Температуру и выдержку при отпуске выбирают экспериментально. Скорость
охлаждения, за редким исключением, не влияет на структуру и свойства сплава.
Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает
получения более высокого уровня свойств (твёрдости в сочетании с характеристиками
прочности и вязкости).
Принципиальная возможность применения того или другого вида термообработки
может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия. В связи с этим
можно выделить следующие группы сплавов:

Сплавы, не имеющие фазовых превращений в твёрдом состоянии.

Сплавы с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

Сплавы с эвтектойдным превращением.
2. Основное оборудование для термической обработки.
К основному оборудованию для термической обработки относятся печи,
нагревательные устройства и охлаждающие устройства. По источнику теплоты печи
подразделяют на электрические и топливные (газовые и редко мазутные).
Для того чтобы избежать окисления и обезуглероживания стальных деталей при
нагреве, рабочее пространство современных термических печей заполняют специальными
защитными газовыми средами или нагревательную камеру вакуумируют. Для повышения
производительности термической обработки мелких деталей машин и приборов
применяют скоростной нагрев, т.е. загружают их в окончательно нагретую печь.
Возникшие при нагреве временные тепловые напряжения не вызывают образования
трещин и короблений.
Однако скоростной нагрев опасен для крупных деталей, поэтому нагрев таких
деталей производят медленно (вместе с печью) или ступенчато. Иногда быстрый нагрев
производят в печах – ваннах с расплавленной солью (свёрла, метчики и другие мелкие
инструменты).
Для закаливания наружных слоёв трущихся деталей машин применяют закалку с
нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Поверхностный нагрев деталей позволяет
получить высокую твёрдость наружных слоёв при сохранении мягкой сердцевины. Этот
способ нагрева очень производителен, может быть полностью автоматизирован и
позволяет получить при крупносерийном производстве стабильное высокое качество
закаливаемых изделий при минимальном их короблении и окислении.
Нагрев деталей ТВЧ осуществляется индуктором, охлаждение водой через спрейер –
трубку с отверстиями для разбрызгивания воды.
Преимущества поверхностной закалки деталей, так же как и большинства способов
упрочнения поверхности (химико – термической обработки, поверхностного наклёпа
обработки), состоит также в том, что в поверхностных слоях деталей возникают
значительные сжимающие напряжения.
3. Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями в
твёрдом состоянии.
Термическую обработку проводят независимо от того, происходят ли в сплавах
фазовые превращения в твёрдом состоянии или нет. Такую обработку применяют,
например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации
пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической
ликвации в слитках и отливках. Соответствующие операции термической обработки
являются разновидностями отжига (отжиг первого рода):
 Отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений;
 Рекристаллизационный отжиг;
 Диффузионный отжиг (гомогенизационный).
Состояние сплава после теплового воздействия становится более равновесным.
3.1 Нагрев для снятия остаточных напряжений.
Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах,
неравномерно охлаждающихся после прокатки или ковки, в холоднодеформированных
полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при
закалке и т.п.
Остаточные напряжения могут вызвать деформацию деталей при обработке
резанием или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних
нагрузок, привести к разрушению или к короблению конструкции; увеличивая запас
упругой энергии (например, сварной конструкции), остаточные напряжения повышают
вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к
растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные
напряжения могут достигать предела текучести.
В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений
происходит в процессе выдержки при температуре 450оС;
после выдержки при
температуре 600оС напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки
устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.
В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных
напряжений происходит при температурах 250 – 350оС.
По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают,
чтобы предотвратить возникновение новых напряжений.
Допустимая скорость
охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она
обычно лежит в пределах 20 – 200оС/ч.
3.2 Рекристаллизационный отжиг.
Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры
рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки
происходит главным образом рекристаллизация.
Температура отжига обычно выбирают на 100 – 200оС выше температуры
рекристаллизации. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет
решающего значения (обычно на спокойном воздухе).
Цель отжига – понижение прочности и восстановление пластичности
деформированного металла, получение определённой кристаллографической текстуры,
создающей анизотропию свойств, и получения заданного размера зерна.
3.3 Диффузионный отжиг (гомогенизация).
В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твёрдых растворов чаще
всего протекает не равновесно:
диффузионные процессы, необходимые для
выравнивания концентрации растущих кристаллов по объёму, отстают от процесса
кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объёму кристалла –
внутрикристаллическая ликвация:
сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким
компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижащим
температуру плавления.
Внутрикристаллическая ликвация, особенно в случае появления в структуре
эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как
снижается пластичность сплавов.
Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких
температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твёрдого
раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие
завершиться при первичной кристаллизации.
В стальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более
равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объёме зёрен
твёрдого раствора.
Диффузионный отжиг стальных слитков ведут при температуре 1100 – 1300оС с
выдержкой 20 – 50 ч.
Диффузионный отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при температуре 420
– 520оС с выдержкой 20 – 30 ч для устранения ликвации.
4.
Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью
компонентов в твёрдом состоянии.
Переменная растворимость компонентов в твёрдом состоянии даёт возможность
значительно упрочнять сплавы путём термической обработки. Это привело к широкому
использованию сплавов этого типа – стареющих сплавов – в качестве конструкционных
материалов повышенной и высокой прочности. Сплавы – на алюминиевой, медной,
железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах.
Сущность упрочняющей термической обработки стареющих сплавов заключается в
образовании дисперсной структуры, которая образуется в результате термической
обработки, состоящей из двух операций – закалки и старения (выделения вторичной фазы
из пересыщенного твёрдого раствора).
Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным.
В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может проходить при температуре
20 – 25оС в процессе выдержки после закалки; такое старение называют естественным.
При старении уменьшается концентрация пересыщенного компонента в твёрдом
растворе; этот компонент расходуется на образование выделений.
Тип выделений, их размер и характер сопряжённости с решёткой твёрдого раствора
зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т.е. температуры и времени
выдержки.
Если время выдержки достаточно велико, происходит коагуляция стабильных
кристаллов. Коагуляцией называют рост кристаллов той фазы, которая распределена в
виде включений в основе сплава.
Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твёрдость и
временное сопротивление дюралюминов при оптимальных условиях старения
увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах - в 3 раза.
Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры (после
коагуляции и сфероидезации), называют стабилизацией; термин подчёркивает получение
более устойчивой структуры при возможном нагреве сплава в условиях эксплуатации.
5. Термическая обработка сталей с эвтектойдным превращением.
Эвтектойдное превращение в равновесных условиях происходит в большинстве
сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана.
Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы, одни
и те же, однако компоненты сплавов вносят ряд особенностей в развитие фазовых
превращений. Поэтому принято раздельно изучать превращения в сплавах с разной
металлической основой.
Основные фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей:



Превращения при нагреве до аустенитного состояния –
перекристаллизация;
Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения;
Превращения при нагреве закалённых сталей.
5.1 Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.
фазовая
В зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного
размера. Продукты превращения мелкозернистого аустенита имеют более высокие
пластичность и вязкость и меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, чем
соответствующие продукты превращения крупнозернистого аустенита.
Зарождение кристаллов при распаде аустенита происходит преимущественно на
границах зёрен, поэтому чем мельче зерно аустенита, тем мельче будут вновь
образующиеся зёрна.
При достижении температуры А1 в сталях начинается превращение перлита в
аустенит. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:


Полиморфного
α → γ – перехода;
Растворение в аустените кристаллов цементита.
Полиморфное превращение идёт с более высокой скоростью, поэтому по
завершению превращение аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для
устранения которой требуется определенное время выдержки.
При высоких скоростях нагрева, например, при нагреве ТВЧ, можно получить
чрезвычайно мелкие зёрна аустенита.
Скорость роста аустенитных зёрен при перегреве выше температур А3 и Асm
неодинакова у разных сталей; она в большей мере зависит от способа раскисления стали и
от наличия некоторых легирующих элементов.
В зависимости от скорости роста аустенитных зёрен различают стали природнокрупнозернистые и природно-мелкозернистые.
Природно-крупнозернистыми называют стали, в которых по мере повышения
температуры выше А3 или Асm кристаллы аустенита быстро укрупняются; таковы стали,
раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.
Природно-мелкозернистыми называют стали, в которых при нагреве до 1000 –
1100 С кристаллы аустенита растут с малой скоростью; к таковым относятся стали,
дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие
элементы, особенно титан и ванадий.
Подобный механизм сдерживания роста
кристаллов аустенита приписывается всем карбидообразующим элементам. Исключением
является марганец, он не только сдерживает рост, а даже несколько увеличивает скорость
роста аустенитных зёрен.
о
Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально
разработанной шкалой зернистости (ГОСТ 5639 – 82).
Стали,
имеющие
грубую
крупнозернистую
структуру
вследствие
высокотемпературных нагревов, называют перегретыми;
перегрев исправляется
повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.
5.2 Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения.
Δ
Т = Тнагрева - Тохл
Тнагр. – выше температуры фазовых превращений, т.е. А1.
Увеличивая скорость охлаждения стали или вводя в сталь легирующие элементы,
можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить
температуру его превращения. От степени переохлаждения (Δ Т) аустенита зависят
механизм и кинетика превращения, и, соответственно, структура и свойства продуктов
превращения.
Процессы распада переохлаждённого аустенита подразделяют на два типа:
 Диффузионные – перлитное и промежуточное (бейнитное).
 Бездиффузионное – мартенситное.
Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях,
т. е. превращения при постоянной температуре.
Перлитное превращение аустенита.
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость
превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в
координатах температура превращения – время. Обычно время откладывают на
логарифмической шкале.
Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые
до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей
температуру ниже равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения
превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить
время начала и конца превращения.
Строение перлитных структур зависят от температуры превращения. С увеличением
степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации,
уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность ферритоцементитной смеси.
Условно перлитные структуры делят на собственно перлит
(грубая смесь кристаллов феррита и цементита); сорбит более дисперстная структура и
троостит – самая дисперстная структура (мелкоигольчатая феррито-цементитная смесь).
Несмотря на то, что подвижность атомов железа и углерода с понижением
температуры от точки А1 уменьшается, скорость перлитного превращения возрастает
вплоть до температуры 550оС. Это объясняется тем, что с увеличением степени
переохлаждения быстро увеличивается число центров кристаллизации и,
соответственно, уменьшаются расстояния, на которые должны переместиться атомы
в процессе превращения.
С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и
твёрдость стали; лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбит.
Мартенситное превращение аустенита.
Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо
очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше солёную)
воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные
диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.
Малейшая изотермическая выдержка в интервале Мн до Мк температур приводит к
стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в
структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит Аост. Аустенит может
оставаться и тогда , когда в углеродистой стали содержится больше 0,6%С и охлаждение
ведут только до 00С.
Экспериментально построенные для всех сталей изотермические диаграммы
позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической
скоростью закалки Uкр., при которой аустенит превращается только в мартенсит при
температуре Мн и ниже.
Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей Uкр., будет образовываться
мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в
Feα. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью,
равной скорости звука в стали (~ 5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует
граница зерна аустенита или ранее образовавшиеся пластина мартенсита.
Академик Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному
превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке
решётки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на
расстояния, не превышающие межатомные».
В процессе мартенситного γ→α – превращения углерод остаётся в твёрдом
растворе, искажая кристаллическую решётку Feα, так как растворимость его в Feα
значительно меньше, чем в Feγ .
Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворённого в нём углерода.
 Чем больше углерода, тем выше твёрдость, но одновременно возрастает и
хрупкость мартенсита.
 Повышается предел прочности стали при растяжении, но до определённой
концентрации углерода (~ до 0,8%С).
 Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением
объёма.
 Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.
Небольшое количество остаточного аустенита (1 – 3%) после мартенситного
превращения сохраняется в сталях, температура
Мк которых выше 20 – 25оС.
Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением
значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объёма при
переходе ГЦК решётки в ОЦК решётку.
На температуры Мн и Мк, помимо содержания углерода, существенно влияют
растворённые в аустените легирующие элементы.
Подавляющее большинство
легирующих элементов понижают температуры Мн и Мк, поэтому в закаленных
легированных сталях даже при небольшом содержании углерода после охлаждения до
температуры 20 – 25оС может сохраняться значительное количество остаточного
аустенита.
Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита.
Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита.
Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный
переход происходит по мартенситному механизму.
Превращение начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни
зоны зёрен аустенита обедняются, другие обогащаются углеродом. В зонах твёрдого
раствора, обогащённых углеродом, происходит карбидообразование – выделение очень
мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, по мере обеднения аустенита
углеродом развивается мартенситное превращение; γ – твёрдый раствор к моменту
полиморфного превращения не полностью освобождается от растворённого углерода,
поэтому кристаллы Feα, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены
углеродом.
Бейнит, образовавшийся при температуре 400 – 5500С, называют верхним; он имеет
перистое строение. Бейнит, образовавшийся при температуре на 50 – 1000 выше
мартенситной точки Мн – называют нижним; он имеет пластинчатое строение.
Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств:
пониженная прочность в сочетании с невысокой пластичностью. Нижний бейнит обладает
высокой прочностью с одновременными показателями высокой пластичности.
6. Основные виды термической обработки стали.




Отжиг сталей.
Нормализация сталей.
Закалка сталей.
Отпуск сталей
Отжиг сталей. Существует несколько разновидностей отжига, из них для
конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный
(полный) отжиг. Для инструментальных сталей – сфероидизирующий.
Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твёрдости, повышения
пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при
отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.
Характерный структурный дефект стальных отливок – крупнозернистость
(видманштеттовая структура).
Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает
опыт, определяется температурой окончания обработки.
При Тобр выше А3 образуется крупнозернистый аустенит и после охлаждения грубая структура продуктов распада.
При Тобр между А3 и А1 возникает строчечность в расположении в расположении
структурных составляющих – феррита и перлита, что обуславливает значительную
анизотропию свойств.
Строчечность структуры,
исправляется отжигом.
вызванная
неметаллическими
включениями,
не
Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легирования
стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100
-2000С/час. Легированные стали с более устойчивостью переохлаждённого аустенита
нужно охлаждать медленнее, со скоростью 20 – 700С/час. Высоколегированные стали
экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку при температуре
немного меньше А1, чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твёрдостью.
Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печью.
Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация).
Высокое содержание углерода (от 0,7 до 2%) обуславливает высокую твёрдость
инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения
твёрдости и подготовки структуры к закалке такие стали отжигают. После отжига
получается структура зернистого перлита, отсюда и название отжига – «сфероидизация».
Отжиг проводят при нагреве сталей до температуры немного выше, чем А1, (750 –
0
770 С) и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при
субкритической температуре 650 – 6800С.
Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфероидизируют
аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры
нагрева используют субкритические изотермические выдержки.
Нормализация сталей.
Нормализация отличается от отжига в основном
условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 – 700С выше А3 для
доэвтектойдных и Аст для заэвтектойдных сталей охлаждают на спокойном воздухе.
 Нормализация – более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как
меньше времени затрачивается на охлаждения стали.
 Нормализация – обеспечивает полную перекристаллизацию структуры,
приводит к получению более высокой прочности стали, так как распад
аустенита происходит при более низких температурах.
 Нормализация – позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств,
вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутых
неметаллических включений. При ускоренном охлаждении возникает больше
самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, поэтому
строчечность структуры менее резко выражена.
Свойства нормализованных горячекатаных полуфабрикатов существенно зависят от
сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдёт охлаждение на спокойном воздухе
и тем выше будет прочность стали.
Надо помнить, что легированные конструкционные стали с повышенной
устойчивостью переохлаждённого аустенита после нормализации приобретают высокую
твёрдость, затрудняющую последующую обработку резанием. В связи с этим после
нормализации проводят отпуск при температурах, обеспечивающих получение требуемой
твёрдости (650 – 7500С), в зависимости от состава стали.
Закалка сталей.
В большинстве случаев при закалке желательно получать
структуру наивысшей твёрдости и износостойкости, т. е. мартенсит, при последующем
отпуске можно понизить твёрдость и повысить пластичность стали.
Надо помнить, что при равной твёрдости структуры, имеют лучшие механические
свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за
исключением нижнего бейнита.
В зависимости от температуры нагрева закалку называют: полной (Тнаг. выше
критической температуры А3) и неполной (Тнаг. лежит между критическими
температурами А1 и А3).
Доэвтектойдные стали, подвергают полой закалке Тнаг. = А3 +( 30-500С). Такая
температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и,
соответственно, после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита.
Надо помнить, что недогрев до температуры А3 приводит к сохранению в структуре
кристаллов доэвтектойдного феррита, что при некотором уменьшении прочности
обеспечивает повышенную пластичность закалённой стали.
Заэвтектойдные стали подвергают неполной закалке. Тнаг. = А1 + (30-500С).
Структура – мартенсит + цементит. Твёрдость такой структуры выше, чем структура
одного мартенсита. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизирующему
отжигу, то избыточные карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости.
Высоколегированные
инструментальные стали ледебуритного класса для
повышения теплостойкости (способность сохранять высокую твёрдость до температур
500-6000С) нагревают при закалке до температур близких к эвтектическим. При этом
происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом,
но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается
высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.
Если высоколегированные инструментальные стали используют не как
теплостойкие, а только как износостойкие, температуру закалки понижают, сохраняя
некоторое количество вторичных карбидов нерастворёнными. Это связано с влиянием
легирующих элементов на критические температуры стали и с малой скоростью диффузии
легирующих элементов в твёрдом растворе.
Охлаждение при закалке.
Для получения мартенситной структуры необходимо
переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно,
скорость охлаждения должна превышать критическую скорость Uкр..
Для углеродистых сталей Uкр. составляет от 1400 до 4000С/с. Для того чтобы
переохладить аустенит таких сталей до температуры мартенситного превращения,
необходимо прибегать к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением
закаливаемых деталей в холодную воду или в воду с добавками едкого натра, так как
щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных деталей.
Необходимо помнить, что лучшей является стадия пузырькового кипения
охлаждающей жидкости. Чем больше температурный интервал этой стадии, тем
интенсивнее охлаждает закалочная среда.
Температура,
Охлаждающая среда
Вода
10%-ный раствор в
воде:
NaCl
NaOH
Масло минеральное
охлаждающей
среды
20
40
80
20
20
20 - 200
0
С
пузырькового
кипения
400 – 100
350 – 100
250 - 100
650 – 100
650 - 100
500 – 250
Относительная
интенсивность
охлаждения в середине интервала
пузырькового кипения
1
0,7
0,2
3
2,5
0,3
Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением
закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 – 250С.
Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации(коробления) деталей или для
предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняются.
Коробление и растрескивание вызываются значительными остаточными
напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений –
увеличение объёма при превращении А → М. Модуль упругости в температурном
интервале мартенситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за
объёмных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью.
Значительные макроскопические напряжения возникают из-за неодновременности
превращения по сечению, а также в закаливаемых деталях сложной формы. Остаточные
напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сечению и
понижения скорости охлаждения в интервале температур Мн - Мк.
В практике, для уменьшения величины остаточных напряжений нашли следующие
способы охлаждения:
 Закалка в двух средах.
 Ступенчатая закалка.
 Изотермическая закалка.
1- обычная закалка;
изотермическая закалка.
2- закалка в двух средах; 3- ступенчатая закалка; 4-
Закалка в двух средах.
После нагрева под закалку деталь погружают на
определённое время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение
температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в
более мягкую охлаждающую среду, обычно в масло.
Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры
закалки переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50 – 100оС выше
критической точки Мн закаливаемой стали, и выдерживают небольшое время,
необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно
охлаждают на спокойном воздухе.
Получение мартенсита при таком способе охлаждения возможно только в
легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита в
интервале температур эвтектойдного превращения.
К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке инструментов
небольшого сечения из низко- и среднелегированных сталей.
Изотермическая закалка.
В некоторых случаях после закалки на мартенсит и
последующего отпуска не удаётся получить достаточной прочности вязкости, тогда
применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью
и прочностью. В отличии от ступенчатой закалки деталь выдерживают при температуре
на 50 – 100оС выше точки Мн до полного завершения превращения аустенита в бейнит и
затем охлаждают на воздухе.
Изотермическая закалка, так же как и ступенчатая, применима только к сталям с
достаточной устойчивостью переохлаждённого аустенита.
Для предотвращения коробления изделий, таких, как ножовки, плиты, бритвы и т.д.,
их охлаждают заневоленными, например, в массивных медных или стальных плитах;
скорость охлаждения в этих условиях оказывается меньшей, чем в масле.
Обработка холодом.
Обработке холодом подвергают закалённые легированные
стали, для которых температура конца мартенситного превращения Мк значительно ниже
температуры 20 – 25оС. Вследствие этого, после охлаждения до этой температуры, наряду
с мартенситом в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита
Аост.. Остаточный аустенит понижает твёрдость закалённой стали и может вызвать
нестабильность размеров готовых деталей, так как, будучи нестабильной фазой,
способен к распаду при низкой температуре с малой скоростью. Температура Мк
легированных сталей изменяется в широких пределах, поэтому при обработке холодом их
охлаждают до температур от -40 до -196оС (температура низкого азота). Обработку
холодом проводя сразу после закалки, чтобы не успел стабилизироваться Аост..
Обработку холодом подвергают измерительные инструменты, детали подшипников
качения, цементированные детали из легированных сталей и ряд других изделий.
Закаливаемость и прокаливаемость сталей – важнейшие характеристики сталей.
Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость в процессе закалки и
зависит главным образом от содержания углерода в стали. При закалке различных деталей
поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей Uкр, следовательно, на
поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твёрдостью.
Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определённую глубину.
Условились при оценке прокаливаемости закалёнными считать слои, в которых
содержится не менее 50% мартенсита (полумартенситная зона). Установлено, что
легированные
стали
любыми
элементами,
кроме
кобальта,
увеличивают
прокаливаемость.
Надо помнить, что прокаливаемость стали одной и той же марки в зависимости от:
изменения химического состава,
размера зерна (температуры нагрева),
размера и
формы детали
и др. колеблется в значительных пределах. В связи с этим в
справочниках прокаливаемость стали каждой марки характеризуется полосой
прокаливаемости.
Отпуск закалённой стали.
Нагрев закалённых сталей до температур, не
превышающих А1, называют отпуском.
При отпуске происходит несколько процессов. Основной – распад мартенсита,
состоящий в выделении углерода в виде карбидов, кроме того, распадается остаточный
аустенит, совершаются карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются
несовершенства кристаллического строения
α-твёрдого раствора и остаточные
напряжения.
Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три превращения в
зависимости от изменения удельного объёма стали.
Надо помнить, что распад мартенсита и карбидное превращение вызывают
уменьшение объёма, а распад аустенита – увеличение объёма.
В сталях, не содержащих легирующих элементов, первое превращение происходит в
интервале температур 80-200оС, второе – 200-260оС, третье – 260-380оС.
Первое превращение. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде
метастабильного έ-карбида, имеющего гексагональную решётку и химический состав,
близкий к Fe2C. Обеднение твёрдого раствора углеродом происходит неравномерно и с
очень малой скоростью. Уменьшение количества растворённого углерода снижает
тетрагональность мартенсита – длина образца уменьшается.
Содержание углерода в мартенсите в интервале температур первого превращения
зависит от исходного количества углерода, тогда как при более высоком нагреве оно
определяется лишь температурой.
Второе превращение.
Одновременно происходит несколько процессов:
продолжается распад мартенсита,
распадается остаточный аустенит, начинается
карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объём. При
распаде остаточного аустенита образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого
мартенсита и дисперсных карбидов.
При карбидном превращении из έ-карбида
образуется цементит Fe3C, при этом когерентность (согласование) решёток твёрдого
раствора и карбида нарушается.
Если в закаленной стали было много остаточного аустенита, то уменьшение
плотности при распаде будет большим, чем увеличение плотности, вследствие
выделения углерода из мартенсита. В этом случае длина закалённого образца
увеличивается.
Третье превращение.
Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение.
После отпуска при температуре 380-400оС в структуре стали обнаруживается только
карбид цементитного типа. Оба указанные процесса вызывают увеличение плотности
стали – длина образца уменьшается.
Надо помнить, что ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего
превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твёрдость, как троостит (её
называют трооститом отпуска).
Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго
превращений, называют отпущенным мартенситом.
При более высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменение
структуры не связанные с фазовыми превращениями:
изменяются форма, размер
карбидов и структура феррита. Начиная с температур 400оС происходит постепенное
коагуляция и сфероидизация карбидов, уменьшается плотность дислокаций, устраняются
границы между пластинчатыми кристаллами феррита, в результате чего зёрна феррита
укрупняются и их форма приближается к равноосной. Эти процессы приводят к снятию
фазового наклёпа.
Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после отпуска при температуре 450650оС, называют сорбитом отпуска. Дальнейшее повышение температуры до
критической точки А1, образуется грубая ферритно-карбидная смесь – зернистый перлит.
Влияние легирующих элементов на процесс отпуска.
В процессе отпуска в
легированных сталях (Сr, Mo, W, V, Co, Si) происходят следующие процессы:




Затрудняется распад мартенсита: он завершается при нагреве до температуры
450-500оС; карбидообразующие элементы (Сr, Mo, W, V) уменьшают
скорость диффузии углерода вследствие химического сродства с ним;
легирующие элементы в сталях увеличивают силы межатомной связи в
твёрдом растворе. Вследствие этого стали приобретают повышенную
сопротивляемость отпуску (теплостойкость).
В сталях с большим количеством карбидообразующих элементов
температурой отпуска определяется тип выделяющихся карбидов. При более
высоких температурах становится возможным образование специальных
карбидов: кристаллы цементита постепенно исчезают, а вместо них
появляются более дисперсные специальные карбиды.
Все карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов;
наиболее медленно коагулируют специальные карбиды типа М6С и МС,
заметное укрупнение таких карбидов происходит при температуре, большей
550-600оС.
Многие легирующие элементы повышают температурный интервал распада
остаточного аустенита до 400-580оС.
В зависимости от температурного интервала принято различать три вида отпуска:
 Низкий при Т = 120-250оС.
 Средний при Т = 350-450оС.
 Высокий при Т = 500-680оС.
Продолжительность выдержки при отпуске устанавливается с таким расчётом, чтобы
обеспечить стабильность свойств стали.
При низком отпуске инструментов продолжительность отпуска чаще составляет от
30 минут до 2 часов в зависимости от сечения инструмента. Продолжительность отпуска
увеличивается до 10-15 час., если температура низкого отпуска не превышает 100-120оС.
В этом случае, например, при отпуске мерительного инструмента, когда падение
твёрдости нежелательно, такой продолжительный отпуск позволяет исключить объёмные
изменения в процессе эксплуатации инструмента.
Продолжительность высокого и среднего отпуска обычно составляет:
От 1 до 2 часов для деталей небольшого сечения;
От 3 до 8 часов для деталей массой от 200 до 1000 кг (диски газовых и паровых
турбин, валы и цельнокованые роторы турбин и другие детали большой массы).
Так как структура отпущенной стали формируется в период выдержки при
температуре отпуска, интенсивность последующего охлаждения не оказывает влияние на
структурное состояние стали. Обычно от температуры отпуска детали охлаждают на
спокойном воздухе.
Свойства отпущенной стали.
Твёрдость отпущенной стали определяется
несколькими факторами:
 Уменьшение тетрагональности;
 Уменьшение степени фазового наклёпа;
 Укрупнение карбидных частиц;
Всё это вызывают снижение твёрдости.
 Выделение когерентных кристаллов έ- карбидов и дисперсных кристаллов
специальных карбидов;
 Распад остаточного аустенита;
Всё это вызывает повышение твёрдости.
В конструкционных сталях, количество углерода в которых обычно не превышает
0,7%, твёрдость снижается непрерывно, однако снижение не велико до температур 100120оС. В инструментальных сталях с более высоким содержанием углерода эффект
твердения вследствие выделения έ-карбида преобладает, поэтому твёрдость при отпуске
до 100-120оС несколько увеличивается. Изменение твёрдости углеродистых сталей в
интервале температур второго превращения в большей степени зависит от количества
остаточного аустенита; например, в стали с содержанием 1,2%С в интервале температур
200-300оС уменьшается интенсивность снижения твёрдости.
Аналогично углеродистым сталям изменяется твёрдость при отпуске
низколегированных и среднелегированных сталей, не содержащих карбидообразующих
легирующих элементов.
Сильные карбидообразователи сдерживают выделение карбидов железа (Fe3C),
поэтому при температуре отпуска до 400-500оС твёрдость снижается незначительно. При
температурах выделения дисперсных специальных карбидов в сложно легированных
сталях (Cr-W-V,
Cr-Mo-V и др.) происходит повышение твёрдости несмотря на
уменьшения углерода в мартенсите при температурах выше 400оС.
Для закаленных и не отпущенных сталей характерны довольно низкие значения
σ0,2, σупр;
при отпуске
300оС.
σв,
При повышении температуры отпуска эти значения
монотонно снижаются. Наиболее высокое отношение σ0,2/ σв в конструкционных сталях
достигается после отпуска при температуре 300-350оС.
Характеристики пластичности δ и ψ возрастают по мере повышения температуры
отпуска.
Ударная вязкость (КСU) непосредственно после закалки низкая. С повышением
температуры отпуска ударная вязкость возрастает, однако есть два температурных
интервала, при которых ударная вязкость конструкционных сталей заметно
снижается:
 250-350оС – отпускная хрупкость первого рода;
 500-600оС – отпускная хрупкость второго рода.
Отпускная хрупкость первого рода наблюдается у всех конструкционных сталей
независимо от степени легирования. Отпускная хрупкость второго рода наблюдается
только у легированных конструкционных сталей – хромистых, марганцевых,
хромоникелевых, хромомарганцевых и ряд др. Отпускная хрупкость второго рода заметно
подавляется при быстром охлаждении (в воде или масле) в диапазоне этих температур или
сталь дополнительно легируют молибденом или вольфрамом в количестве 0,3 и 1%
соответственно.
Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого
отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.
Химико-термическая обработка металлов и сплавов
1. Общие закономерности.
Химико-термической обработкой (ХТО) называют технологические процессы,
приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными
элементами.
Цель:
повышение твёрдости,
износостойкости,
сопротивления усталости и
контактной выносливости,
а также для защиты от электрохимической и газовой
коррозии.
Различают три стадии ХТО:
 На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей)
среде, в результате которых образуются активные диффундирующие
элементы в ионизированном состоянии.
 На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью
металла – происходит адсорбция (лат. Поглощение вещества из раствора или
газа поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела) диффундирующих
элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается
диффундирующим элементом (абсорбция – тоже поглощение, но в отличие от
адсорбции происходит во всём объёме поглотителя), возникает градиент
концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.
 Третья стадия – диффузионное проникновение элементов в глубь
насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твёрдых
растворов или фазовой перекристаллизацией.
Третья стадия определяет скорость процесса ХТО. Толщина диффузионного слоя
при постоянной температуре и времени выдержки процесса диффузии тем больше, чем
выше концентрация диффундирующего элемента на насыщаемой поверхности.
Существует множество способов ХТО, однако наибольшее распространение в
промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и
газовых сред.
2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом.
Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твёрдые
растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слой
значительной толщины.
Цементация стали – технологический процесс диффузионного насыщения
углеродом. Концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8 –
1%. Сердцевина детали, содержащая 0,08 – 0,25%С, остаётся вязкой, а поверхности, не
подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением. Толщина медного
слоя составляет 0,02 – 0,05 мм.
Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь
износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колёса, валы и
пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.
Карбюризатор – исходная среда для цементации (науглероживание). В основном
применяют два способа цементации:
 В твёрдом карбюризаторе: древесный уголь + добавки углекислого бария.
 Газовый карбюризатор: разбавленный природный газ (состоящий почти
полностью из метана: СН4 → 2Н2 + С ), а также жидкие углеводороды
(керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее
пространство печи, где они образуют активную газовую среду.
Структура цементованного слоя. Наружная часть слоя, содержащая более 0,8%С,
имеет структуру заэвтектойдных сталей – перлит и вторичный цементит в виде сетки по
границам зёрен. Средняя часть слоя, имеющая эвтектойдную концентрацию, состоит из
перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается,
структура соответствует доэвтектойдной стали, причём количество перлита уменьшается
при приближении к сердцевине.
Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм и в
исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на
цементованную поверхность.
Надо помнить, что структура после цементации получается крупнозернистой в связи
с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность
изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки
цементируемой стали.
Термическая обработка после цементации. В зависимости от условий работы, а
также от выбранной для изготовления детали стали и получения заданного комплекса
свойств после цементации режим упрочняющей термической обработки может быть
различным:
 Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в
условиях работы динамическое нагружение, в результате термической
обработки нужно получить не только высокую поверхностную твёрдость, но
и высокую прочность (например, для зубчатых колёс – высокая прочность на
изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств
требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в
сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали
подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух
последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.
При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50оС выше
температуры А3 цементируемой стали. Это обеспечит перекристаллизацию
сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что в свою
очередь обеспечит мелкозернистость продуктов распада.
При второй закалке деталь нагревают до температуры на 30-50оС выше
температуры А1. в процессе нагрева мартенсит, полученный в результате
первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных
карбидов, которые в определённом количестве сохраняются после неполной
закалки в поверхностной заэвтектойдной части слоя, увеличивая его
твёрдость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в
науглероженном слое.
Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск
при 160-200оС, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий
твёрдости стали.
Структура после двойной закалки и низкого отпуска – отпущенный
мартенсит с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины
детали зависит от легированности стали. В углеродистых сталях в сердцевине
получается сорбитная структура. В легированных сталях, в зависимости от
количества легирующих элементов, может получиться бейнит или
низкоуглеродистый мартенсит. Во всех случаях из-за низкого содержания
углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более
простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого
отпуска.
Если для цементации выбирают природно мелкозернистые стали и
содержание углерода на поверхности близко к эвтектойдному, то и при одной
закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в
цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах
массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе.
Выгодно и удобно закалку проводить с температур цементации.
Цементованные детали подвергают шлифованию.
Азотирование стали – процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной
зоны деталей.
Цель: повысить износостойкость и предел выносливости деталей машин (коленчатые
валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.)
До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и
чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.
Обычно азотирование проводят при температуре 500-600оС в муфелях или
контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий (лат. диссоциация –
распадение молекул на несколько более простых частиц) аммиак.
Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с
выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем
диффундируют в глубь.
2NН3 → N2 + 3Н2 при нагреве
Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой έ-фазы, коррозионно-стойка в
воде и в атмосферных условиях. Высокие твёрдость и износостойкость получаются после
азотирования комплексно-легированных сталей. Например : сталь 38Х2МЮА – твёрдость
азотированного слоя достигает 12000НV.
Молибден также устраняет отпускную
хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры
азотирования.
Процесс азотирования – весьма длительная операция. Требуется от 40 до 55 час. Для
получения диффузионной зоны толщиной около 0,5 мм.
Надо помнить:
по сравнению с цементованными азотированные слои
легированных сталей имеют более высокие твёрдость и износостойкость. Однако
азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большой длительности процесса и
меньшей толщины упрочнённого слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок
на поверхность детали.
Одновременное
(нитроцементация).
насыщение
поверхности
стали
углеродом
и
азотом
Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение
стали азотом и углеродом позволяет получить определённые преимущества.
Например:
азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить
температуру диффузионного насыщения до 850оС и получить такое же науглероживание,
как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую
закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания.
Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.
Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для
упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.
Существенный недостаток цианирования – ядовитость цианистых солей (ионов СN-),
что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.
Для информации: разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и
углеродом из расплавов нетоксичных солей – цианатов и карбонатов. Такие процессы
известны под названием «Карбонитрация» (Россия),
«Тенифер» (Германия) и
«Мелонайт» (США).
Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве
едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [CN-].
Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого
отпуска проводят карбонитрацию.
В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих
пределах: температура расплава 530-570оС, время выдержки 5-30 мин.
3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами.
Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуется жаростойкие
покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию
рабочей или окружающей среды. Традиционными способами получения таких покрытий
являются алитирование (алюминирование), хромирование,
силицирование из
порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент и нейтральный порошок
(шамот, глинозём и др.) для предотвращения спекания смеси.
Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с
плавкими затворами (для выхода более лёгких газов – водорода, азота и хлористого
водорода), нагревают в печи до 1000-1200оС и выдерживают несколько часов для
получения диффузионных слоёв заданных толщины и структуры.
Циркуляционным методом можно проводить диффузионное насыщение не только
алюминием, кремнием, хромом, но и рядом других элементов, как в отдельности, так и
совместно в специальной установке.
Движущая сила циркуляционного процесса – перепад парциального давления газапереносчика диффундирующего элемента между зонами расположения исходного
материала и насыщаемого сплава. Перепад давлений порождается либо перепадом
температур, либо перепадом активностей диффундирующего элемента в исходном
материале и на поверхности насыщаемых деталей.
Для получения равномерных покрытий на деталях в муфеле циркуляционной
установки поддерживается реверсируемое движение газовой среды.
Циркуляционный метод позволяет получать качественные диффузионные
многокомпонентные покрытия в химически чистой газовой смеси, без балластных
добавок и попутного насыщения другими элементами.
Диффузионные покрытия можно также получать в расплавленных жидких средах.
В промышленности наиболее широкое применение получил способ борирование
сталей в расплавах буры с добавками восстановителей – карбидов бора и кремния (70%
Nа2В4О7 + 30% В4С или 70% Nа2В4О7 + 30% SiС). Насыщение бором проводят при
температуре 850-1050оС в течение 2-3 час. Боридные покрытия обладают высокой
износостойкостью.
Износостойкость борированной стали 45 в условиях трения
скольжения выше в 4-6 раз износостойкости цементованных и в 1,5-3 раза
нитроцементованных сталей.
Износостойкость двухфазных боридных слоёв (Fe2B) в 1,5-2 раза выше
износостойкости однофазных слоёв (Fe2B), а в условиях абразивного изнашивания
находятся на уровне износостойкости хромированных сталей.
Борированные стали хорошо сопротивляются действию 10%-ной серной и 30%-ной
соляной кислоты, а также обладают высокой коррозионной стойкостью в 40%-ной
фосфорной кислоте.
Диффузионные покрытия, нанесённые способами алитирования, хромирования,
силицирования способны защищать детали от окисления при высоких температурах, так
как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные плёнки из Аl2O3, Cr2O3
и SiO2, препятствующие диффузии кислорода.
Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3-0,4%С) приводит к повышению
поверхностной твёрдости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий
слой (0,025-0,030 мм) карбида (Сr, Fе)7С3 или (Сr, Fе)23С6 с твёрдостью НV 1200013000. несмотря на низкую твёрдость (НV 2000-3000), силицированный слой хорошо
сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170-200оС.
Хромированные стали устойчивы к коррозии в 3%-ном водном растворе хлористого
натрия (морской воде), но лучшие результаты получены после цирконоалитирования и
титаноалитирования сталей. Хромированные высокоуглеродистые стали обладают
хорошей коррозионной стойкостью к действию 50%-ных водных растворов уксусной
кислоты.
Надо помнить, что обработанные по оптимальным режимам диффузионного
насыщения углеродистые стали по кислотостойкости, не уступят дорогим
хромоникелевым аустенитным сталям.
Конструкционная прочность материалов
1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам.
Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:



Статические, циклические и ударные нагрузки;
Низкие и высокие температуры;
Контакт с различными средами;
Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из
которых – эксплуатационные, технологические, экономические.
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы
обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный
материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств,
обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.
Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала
для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на
него рабочей среды и температуры.
Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как
правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала
(коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как
результат охрупчивание и т.д.)
Температурный диапазон от -269 до 2000оС. От материала требуется –
жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.
Технологические требования
направлены на обеспечение наименьшей
трудоёмкости изготовления деталей и конструкций.
Технологичность материала
характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью
резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью,
склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят
производительность и качество изготовления детали.
Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую
стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие
элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением
эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при
массовом масштабе производства.
2. Конструкционная прочность материалов и критерии её оценки.
Конструкционная прочность
сочетание критериев:
 Прочности;
 Надёжности;
 Долговечности;
–
комплексная
характеристика,
включающая
Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его
работы.
При статических нагрузках: σв или σ0,2 (σт) – характеризующие сопротивление
материала пластической деформации. Для приближенной оценки статической прочности
используют твёрдость НВ (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3
При циклических нагрузках:
предел выносливости
σR
(при симметричном
круговом изгибе σ-1).
Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые
рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.
Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих
напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций
ε = σупр/Е,
упр
где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости
металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин
станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных
размеров и формы.
Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других
чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие
перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости
σупр и низкий
модуль упругости Е.
Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике,
важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными
характеристиками:
 Удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное
падение);
 Удельной жёсткостью Е/ ρg.
Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики
прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.
Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те
характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях
эксплуатации.
Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению
(внезапному отказу).
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны
обладать:


Достаточной пластичностью
δ,%
и
ψ,%;
Ударной вязкостью КСU ( МДж/м2 );
Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных
условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях
эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость
и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:
 Концентраторы напряжений (надрезы);
 Понижение температуры;
 Динамические нагрузки;
 Увеличение размеров деталей (масштабный фактор);
Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации,
необходимо учитывать трещиностойкость.
Трещиностойкость – группа параметров
способность материала тормозить развитие трещины.
надёжности,
характеризующих
Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные
(локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние
расчётные напряжения.
Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине
σу
mах
=
σ 2√ l/ r
ср
Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её
вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие
материалы, наоборот, чрейзвычайно чувствительны к надрезам.
Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого
дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К).
К = σср √
где
απl
кр
, (МПа х мм1/2 )
π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.
К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации
у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он
больше, тем выше надёжность материала.
Для оценки надёжности материала используют также параметры:
 Ударную вязкость КСU, КСV, КСТ ( МДж/м2 );
 Температурный порог хладноломкости Т50 ;
Параметром
КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении,
трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.
Параметр
КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания
надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо
ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).
Порог хладноломкости Т50 - характеризует влияние снижения температуры на
склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных
испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. Т50 – обозначает
температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и
величина КСТ снижается на половину.
Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного
разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение
заданного времени (ресурса).
Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали
заменяют без угрозы аварийных последствий.
Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:
 Развитие процессов усталости;
 Изнашивание;
 Ползучести;
 Коррозии;
 Радиационного разбухания и пр.
Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в
материале и его разрушение.
Обеспечение долговечности материала означает
уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.
Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется
сопротивлением
материала
усталостным
разрушениям
(циклической
долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).
Циклическая долговечность
характеризует работоспособность материала в
условиях многократно повторяющихся циклов напряжения.
Цикл напряжения –
совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями
σmin
σmaх
и
в течение периода Т.
Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом
σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = (σmaх - σmin)/2;
средним напряжением цикла σm = (σmaх + σmin)/2.
асимметрии цикла R =
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием
циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их
развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости –
выносливостью.
Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки
имеет ряд особенностей:
1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;
2. Разрушение начинается на поверхности локально;
3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение
излома:
 Очаг зарождения трещины;
 Зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые
имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном
продвижении трещины усталости.
 Зону долома.
О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят
по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в
виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок
определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после
неограниченного большого числа циклов.
Это напряжение представляет собой
физический предел выносливости
симметричном цикле
σR
(R – коэффициент асимметрии цикла), при
σ-1.
Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:
1. Циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен
выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел
выносливости.
2. Циклическую долговечность – число циклов (часов), которое
выдерживает материал до образования усталостной трещины или до
усталостного разрушения при заданном напряжении.
Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из
которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние
поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды.
(Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические
включения и др.).
Дополнительные критерии выносливости:
1. Живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ).
При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии
обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную
работу.
2. Износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях
трения сопротивление изнашиванию. Износ – процесс постепенного
разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его
частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению
размеров, объёма или массы. Существует три периода износа: 1. –
начальный, период приработки;
2. – период установившегося
(нормального) износа;
3. – период катастрофического износа.
Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может
катастрофически быстро разрушаться в других. Эта задача решается
рациональным выбором материала трущихся пар и способа его
обработки.
3. Ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации
материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.
Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации
характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:
1. Критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности
определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей.
2. Модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет
величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость.
3. Пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость
разрушения К, температурный порог хладноломкости
Т50, которые
оценивают надёжность материала при эксплуатации.
4. Циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии,
определяющие долговечность материала.
Методы повышения
конструкционной прочности
1. Технологические.
2. Металлургические.
3. Конструкторские.
Технологические.
Цель – повышение прочности материала. Методами:
легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химикотермической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде
структурных факторов:
 Увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность
дислокаций,
тем
выше
сопротивление
пластическому
деформированию.
 Создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен,
дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого
фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен
(увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением
ударной вязкости.
Сильное торможение дислокаций создают
дисперсные частицы вторичной фазы.
 Образование
полей
упругих
напряжений
искажающих
кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных
дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов
легирующих элементов.
Образования атмосфер Коттрелла
атомами внедрения.
Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности
дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым
надёжности.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении
прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое
сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.
Например:
в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском
можно получить при содержании 0,4%С σ ~ 2400МПа, при 0,6% σ ~ 2800МПа.
Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.
Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких
элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность
и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой,
особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и
лазерного.
Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить
деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами
поверхностного упрочнения:
поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным
пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).
Металлургические.
Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление
вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов(кислорода, водорода, азота
и зависящих от содержания неметаллических включений). Метод переплава: вакуумнодуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумноиндукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности
высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов
жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных
надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений
применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.
Композиционные материалы – новый класс высокопрочных материалов.
Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности. Такие
материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных
волокон.
Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению
трещин, так как при её образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина
«вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие
высокопрочные и высокомодульные волокна и лёгкую матрицу, могут обладать высокими
удельной прочностью и жёсткостью.
Классификация
конструкционных материалов.
По универсальному признаку: сталь, чугун, сплавы на основе цветных
металлов.
По функциональному признаку: жаропрочные, материалы с высокими
упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.
1.
2.
Надо понимать, что предлагаемая классификация подразделяет конструкционные
материалы по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей
конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями,
обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы
рассматриваются в нескольких группах, если возможность применения их определяется
различными критериями.
В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные
материалы подразделяют на следующие группы:
1.
Материалы,
обеспечивающие
жёсткость,
статическую
и
циклическую прочность (стали).
2.
Материалы с особыми технологическими свойствами.
3.
Износостойкие материалы.
4.
Материалы с высокими упругими свойствами.
5.
Материалы с малой плотностью.
6.
Материалы с высокой удельной прочностью.
7.
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей
среды.
Стали,
обеспечивающие жёсткость,
статическую и циклическую прочность
Детали машин должны обладать жёсткостью и прочностью, достаточными для
ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надёжности и
долговечности.
Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упругости (Е = 2,1х
6
10 МПа). Высокую жёсткость стали сочетают с достаточной статической и циклической
прочностью, значение которой можно регулировать изменением концентрацией углерода,
легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.
1.
2.
3.
4.
5.
Классификация конструкционных сталей
По химическому составу.
Качеству.
Степени раскисления.
Структуре.
Прочности.
1. По химическому составу – углеродистые, легированные.
Низкоуглеродистые – С< 0,3%
Среднеуглеродистые – С= 0,3-0,7%
Высокоуглеродистые – С>0,7%
Низколегированные – до 5% л.э.
Среднелегированные – 5-10% л.э.
Высоколегированные – более 10% л.э.
2. По качеству – обыкновенного качества, качественные, высококачественные и
особовысококачественные.
3. Степени раскисления.
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для
предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. Выделение СО из
стали создаёт впечатление кипения стали.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Кипящие –
только марганцем.
4. По структуре – стали классифицируют учитывая особенности её строения в
отожжённом и нормализованном состоянии.
В отожжённом (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на
четыре класса:
1. Доэвтектоидные имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные в структуре только перлит.
3. Аустенитные.
4. Ферритные.
Углеродистые стали – только первых двух классов.
Легированные стали – могут быть всех классов.
Аустенитные стали – при введении большого количества Ni, Mn.
Ферритные стали – при введении большого количества Cr, Si, V, W.
После нормализации стали подразделяют на четыре класса:
1.
2.
3.
4.
Перлитные.
Мартенситные.
Аустенитные.
Ферритные.
Стали перлитного класса при охлаждении на воздухе приобретают структуру –
перлит, сорбит, троостит. Это углеродистые, низколегированные относительно дешёвые,
широко применяемые стали.
Стали
мартенситного
класса
отличаются
высокой
устойчивостью
переохлаждённого аустенита; при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит.
К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса из за повышенного количества Ni или Mn в сочетании
с Cr имеют интервал мартенситного превращения (Мн – Мк ) ниже 00 С и сохраняют
аустенитную структуру до 200 С.
Структурный класс аустенитных и ферритных сталей
классификации как в отожжённом, так и в нормализованном состояниях.
совпадает
по
5. По прочности.
Нормальной (средней) прочности σв ≈
Повышенной прочности
σв ≈
Высокопрочные
σв ≈
до 1000 МПа.
до 1500 МПа.
более 1500 МПа
Влияние углерода и постоянных примесей
на свойства сталей
Степень влияния углерода зависит от структурного состояния стали, её
термической обработки.
По мере повышения содержания углерода, увеличивается прочность и твёрдость,
но снижается пластичность и вязкость. Снижение ударной вязкости заметно повышает
верхний порог хладноломкости расширяя тем самым температурный интервал перехода
стали в хрупкое состояние.
Влияние углерода ещё более заметно после закалки стали на мартенсит. σв
легированной стали растёт по мере увеличения содержания углерода ( max при С = 0,4%).
При большей концентрации углерода σв становится нестабильной, о чём свидетельствуют
низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механические свойства
полностью определяются концентрацией углерода в твёрдом растворе.
Углерод изменяет и технологические свойства – снижает способность сталей
деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется
свариваемость.
Постоянные примеси:
Марганец – полезная примесь, раскислитель (0,3 – 0,8 % Mn) уменьшает вредное влияние
кислорода и серы.
Кремний – полезная примесь, раскислитель ( до 0,4%) оказывает упрочняющее действие.
Сера – вредная примесь, вызывает красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке
давлением. FeS образует с железом эвтектику и плавится при Т = 988О С. Устраняя красноломкость,
сульфиды MnS служат концентраторами напряжений.
Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.
Фосфор – вредная примесь, вызывает хладноломкость – снижает вязкость по мере снижения
температуры (охрупчивающее действие с повышение содержания углерода). Основной путь снижения
влияния фосфора – повышения качества шихты.
Кислород, азот и водород – вредные крытые примеси, образуют неметаллические примеси,
снижают пластичность и повышают склонность стали к хрупкому разрушению.
Водород в стали при её выплавке может приводить к флокенам – внутренние надрывы, белые
пятна, а на поверхности мелкие трещины. Эти дефекты обычно встречаются в крупных поковках хромистых
и хромоникелевых сталях. Для их предупреждения стали после горячей деформации медленно охлаждают
или длительно выдерживают при Т = 250о С.
Случайные примеси – из вторичного сырья или руд отдельных месторождений (сурьма, олово,
медь и другие цветные металлы). Эти примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на
вязкость и пластичность стали.
Углеродистые стали
80% - от общего объёма всех сталей. Они дёшевы, удовлетворительные
механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Однако они
менее технологичны при ТО. Из-за высокой критической скорости закалки их охлаждают
только в воде, что вызывает значительные деформации и коробления деталей.
То С отпуска более низкая по сравнению с легированными сталями, поэтому они
сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную
прочность.
Главный недостаток – небольшая прокаливаемость (до 12мм). Крупные детали
изготовляют из стали без ТО – в горячекатанном или в нормализованном состояниях, что
требует увеличения металлоёмкости конструкций.
По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к
сталям нормальной прочности.
Марка
σв, МПа
δ%
Ст 1
320-420
31
Ст 2
340-440
29
Ст 3
380-490
23
Ст 4
420-540
21
Ст 5
500-640
17
Ст 6
600
12
Сталь 25
460
23
Сталь30
500
21
Сталь 45
540
19
Сталь 65
710
10
60Г
710
11
Применение углеродистых сталей.
НВ
170
179
229
255
269
КСU, МДж/м2
0,9
0,8
0,5
-
1. Стали обыкновенного качества – предназначены для изготовления различных
конструкций, слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают
предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций
определяется жёсткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими,
что их прочность заведомо обеспечивается. Поэтому на выбор стали большое влияние
оказывает не столько механические,, сколько технологические свойства. Примеры:
сварные рамы, фермы и др. строительные металлоконструкции. Специализированное
назначение: котло-, мосто- судостроение. Сельскохозяйственное машиностроение: валки,
оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой и т.д.
Ст5, Ст6 – обладающие большей прочность, предназначены для рельсов,
железнодорожных колёс, а также валов, шкивов, шестерён и других деталей
грузоподъёмных и сельскохозяйственных машин.
2. Качественные стали – они поставляются в виде проката, поковок и других
полуфабрикатов с гарантированными химическим составом и механическими свойствами
(после нормализации).
Стали С ≤ 0,1% - малопрочные, высокопластичные; из-за способности к
глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки – шайбы, прокладки, кожуха и
т.д., изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.
Стали
0,15 – 0,25% С - цементуемые, предназначенные для деталей
небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.д.).
Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.
Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Пластичны,
хорошо штампуются и свариваются – крепёжные детали, втулки, штуцера и т.п.), а
также для деталей котло-,турбостроения – трубы перегревателей, змеевики и т.п.,
работающих при Т = - 40 до 425 о С.
Стали 0,30 – 0,55 % С - среднеуглеродистые, большая прочность, но меньшая
пластичность. ТО – улучшение (структура сорбит – малая чувствительность к
концентраторам напряжения), нормализация и поверхностная закалка ( с твёрдостью на
поверхности 40-58 НRС).
Из-за низкой прокаливаемости (до 12 мм) изготовляют детали небольших
размеров от которых требуется однородность свойств по всему сечению т.е. сквозная
прокаливаемость – шатуны, зубчатые колёса, маховики, оси и т.п. Для валов, осей и т.п.
испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны
на поверхности, толщина упрочнённого при закалке ТВЧ слоя должна быть не менее
половины радиуса детали (до 30 мм).
Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких
циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50. ТО – нормализация и
закалка ТВЧ тех мест , которые должны иметь высокую твёрдость ( до 58 НRС) – кулачки,
шейки коленчатых валов, распределительных валиков, зубья шестерён, длинных валов,
ходовых винтов и т.п., для которых важно ограничить деформации при ТО.
Стали 0,6…0,85%С - высокоуглеродистые, а также с увеличенным содержанием
марганца 60Г, 65Г, 70Г применяют в качестве рессорно-пружинных. ТО – закалка и
средний отпуск, структура троостит, для получения высоких упругих и прочностных
свойств (σв > 800 МПа). Пружины, рессоры, упругих колец и т.п. В нормализованном
состоянии – для прокатных валков, шпинделей станков и т.п.
Легированные стали
Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её
химический состав. (ГОСТ).
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения:
Ш – шарикоподшипниковая сталь;
Э – электротехническая сталь;
А – автоматная сталь, хорошо обрабатывается резанием.
Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей.
Легированные стали производят качественными, высококачественными и особо
высококачественными. Их применяют после закалки и высокого отпуска (улучшения),
поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не
отличаются от углеродистых.
Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих
элементов на:
1. Свойства феррита.
2. Дисперсность карбидной фазы.
3. Устойчивость мартенсита при отпуске.
4. Прокаливаемость.
5. Размер зерна.
Свойства феррита – л.э. повышают НВ, особенно Si, Mn, Ni. Упрочняя феррит
и мало влияя на пластичность, большинство л.э. снижают КСU, МДж/м2 , особенно если
их концентрация выше 1%. Исключение составляет Ni.
Дисперсность карбидной фазы и устойчивость мартенсита при отпуске - при
увеличении в стали углерода усиливается влияние карбидной фазы, дисперсность которой
определяется ТО и составом стали.
Карбидообразующие элементы и частично кремний задерживают выделение и
коагуляцию (округление) карбидов при отпуске, увеличивая дисперстность карбидной
фазы. Кроме того они затрудняют разупрочнение закаленного феррита, замедляя тем
самым снижение прочности стали при отпуске.
Прокаливаемость – к важнейшим факторам, способствующим повышению
конструкционной прочности, относятся снижение при легировании критической
скорости закалки и увеличение прокаливаемости.
Наибольший эффект – комплексное легирование. Cr + Mo, Cr + Ni, Cr + Mo + Ni.
Возможность менее резкого охлаждения при закалке таких деталей уменьшает в
них внутренние напряжения и опасность образования трещин.
Размер зерна – большинство л.э. измельчают зерно, что способствует
повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости. Наиболее
сильно понижает порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению
трещины Ni. Остальные л.э., за исключением небольших добавок Cr, Mn, Mo, повышают
порог хладноломкости.
Таким образом,
для обеспечения высокой конструкционной прочности
количество л.э. в стали должно быть рациональным. После достижения необходимой
прокаливаемости избыточное легирование (за исключением никеля) снижает
трещиностойкость и облегчает хрупкое разрушение.
Хром – вводят до 2 %. Растворяется в Ф и Ц оказывая благоприятное влияние на
механические свойства. Нашёл широкое применение в конструкционных сталях.
Никель – вводят от 1 до 5 %. Наиболее ценный, но дефицитный л.э.
Марганец – вводят до 1,5 %. Нередко как заменитель никеля. Повышает
однако делает сталь чувствительной к перегреву.
Кремний – ограничено до 2 %. Сильно повышает
порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.
σт ,
σт
стали,
снижает вязкость и повышает
Молибден и вольфрам – дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы.
Основная цель введения (Mo = 0,2 – 0,4 % и W = 0,8 – 1,4 %) уменьшить склонность к отпускной
хрупкости, измельчение зерна, повышения стойкости к отпуску, увеличение прокаливаемости.
Ванадий и титан – сильные карбидообразователи. Вводя до 0,3 % V и 0,1 %Ti. Трудно
растворимые карбиды при нагреве располагаются по границам зёрен снижая прокаливаемость,
способствуют хрупкому разрушению.
Бор – вводя в микродозах (0,002 способствует росту зерна при перегреве стали.
0,005%). Увеличивает прокаливаемость, но
Легированные стали
нормальной и повышенной статической прочности
Из сталей нормальной и повышенной прочности наибольшее применение имеют
низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеуглеродистые (улучшаемые) стали,
содержащие, как правило, в сумме не более 5 % л.э.
Нормальной прочности
Низкоуглеродистые – (0,1 – 0,3 % С) легированные стали. Т.О. – закалка +
низкий отпуск со структурой низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные
прочностные свойства этих структур сочетаются с хорошей пластичностью, вязкостью,
малой чувствительностью к надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой
трещины.
Функциональное назначение – цементация, нитроцементация: детали
работающие в условиях трения (зубчатые колёса, кулачки и т. п.), с поверхностной
твёрдостью 58- 63 HRC. Работоспособность цементованных деталей зависит от свойств
поверхностного слоя и сердцевины (от концентрации углерода в стали).
Благоприятные сочетания прочности, пластичности и вязкости, а также высокая
хладостойкость (порог хладноломкости лежит в области отрицательных температур)
обуславливают применение низкоуглеродистых сталей и без поверхностного упрочнения.
Сталь
15Х
15ХФ
30ХГТ
25ХГМ
12ХН3А
12Х2Н4А
18Х2Н4МА
σв МПа
δ, %
700
750
1500
1200
950
1150
1150
12
13
9
10
11
10
12
КСU, МДж/м2
0,7
0,8
0,6
0,8
0,9
0,9
1
При использовании этих сталей для деталей, от которых не требуется
износостойкая поверхность, проводятся однократная закалка и низкий отпуск ( Т з=8600 С
и Тот = 1800 С). При цементации двойная закалка и низкий отпуск.
Стали 15Х, 15ХФ, 20Х, 20ХР, образуют группу дешёвых сталей нормальной
прочности (σв = 700-750 МПа). Закалку ведут в масле на структуру троостит или бейнит.
Применяют для деталей работающих при средних нагрузках, Dкр < 25 мм.
Стали повышенной прочности
Комплексно-легированные, низкоуглеродистые (С = 0,25 - 0,30 %).
Хромоникелевые – 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А применяют для
крупных деталей ответственного значения. Закалка в масле. Прокаливаемость до 100 мм.
Структура – низкоуглеродистый мартенсит с нижним бейнитом, обеспечивает сочетание
высокой прочности и вязкости.
Хромоникельмолибденовая (вольфрамовая сталь)
18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА
наиболее высоколегированные, закаливаются на воздухе и прокаливаются практически
на любое сечение. Отжиг для них не применим, только высокий отпуск на сорбит.
Используют в улучшенном состоянии при больших статических и ударных
нагрузках, для особо ответственных деталей.
Недостатки: 1. Высокая стоимость.
2. При закалке до 60% остаточного аустенита. Требуется
обработка холодом.
Хромомарганцевые стали с титаном и молибденом - 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ
Экономно-легированные и предназначены для замены хромоникелевых сталей.
Прокаливаемость – 35…60 мм. По прочности и твёрдости они превосходят
хромоникелевые стали, но уступают по вязкости.
Применяют для деталей
крупносерийного и массового производства (зубчатых колёс автомобилей).
Легированные, среднеуглеродистые (С = 0,30 - 0,50 %).
Т.О. – З + В.О. (500- 6000С) на сорбит. Улучшение этих сталей в отличие от
нормализации обеспечивает: повышенный предел текучести в сочетании с хорошей
пластичностью и вязкостью, заметно снижает порог хладноломкости.
Применяют: для деталей, работающих не только при статических, но и в
условиях циклических и ударных нагрузок (валы, штоки, шатуны и др.), концентрации
напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах.
Критерии выбора: 1. Главный – прокаливаемость.
2. Предел текучести, вязкости, чувствительность к надрезу.
3. Величины верхнего (tв) и нижнего (tн) порога
хладноломкости, Т50.
Механические свойства улучшаемых сталей определяются температурой отпуска,
так как в зависимости от легирования разупрочнение при отпуске одних сталей идёт
быстрее, других – медленнее.
Имея достаточно близкие стандартные механические свойства при растяжении,
различие может состоять в параметрах надёжности, которые более чувствительны к
изменению структуры и состава стали. Важно – при Т.О. получить мелкое зерно и не
допустить развития отпускной хрупкости.
Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х - дешёвый конструкционный материал.
Склонны к отпускной хрупкости. Прокаливаемость – 15…25 мм. Применяются для
деталей, работающих без значительных динамических нагрузок.
Хромокремнемарганцевые стали (хромансили – Cr, Mn, Si ) 30ХГСА, 35ХГСА
Дешёвые, хорошо свариваются, штампуются, удовлетворительно обрабатываются
резанием, прокаливаются 30-40мм. Применяют в автомобилестроении – валы, сварные
конструкции, детали рулевого управления.
Хромоникелевые стали
40ХНМА, 38ХН3МА, 38ХН3МФА, а также
глубокопрокаливающиеся 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Прокаливаемость свыше 100мм. (
Молибден и вольфрам вводят для устранения отпускной хрупкости, которую вызывает
никель).
Эти стали относятся к мартенситному классу, закаляются на воздухе, обладают
малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работают при динамических
нагрузках и в условиях пониженных температур. Кроме того, стали слабо разупрочняются
при нагреве и могут применятся при температуре до 300 – 400оС.
Предназначены для деталей наиболее ответственного назначения – валы,
роторы турбин, тяжелонагруженные детали компрессорных машин, редукторов.
Недостатки: 1. Высокая стоимость.
2. Пониженная обрабатываемость резанием.
3. Склонность к образованию флокенов.
Легированные высокопрочные стали
σв > 1500МПа
Эти стали имеют высокую чувствительность к концентраторам напряжения и
эксплуатационно ненадёжны. Для предупреждения хрупкого разрушения таким сталям
необходимо определённый запас вязкости (как минимум КСU = 0,2 МДж/м2 ).
При проектировании необходимо избегать конструктивных концентраторов
напряжений, а при изготовлении не допускать на поверхности глубоких рисок, царапин,
обеспечивать минимальную её шероховатость.
Высокопрочное состояние в сочетании с достаточно высоким
сопротивлением хрупкому разрушению может быть получено при использовании:
1. Среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей после низкого
отпуска или термомеханической обработки.
2. Мартенситно-стареющих сталей.
3. Метастабильных аустенитных сталей.
1. Среднеуглеродистые комплексно-легированные низкоотпущенные стали.
30ХГСНА (хромансиль), 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ,
30Х5МСФА
Т.О. – закалка + низкий отпуск. Уровень прочности определяется
содержанием углерода и не зависит от содержания л.э.
Необходимый запас вязкости (при небольшом снижении прочности)
достигается:
1.Подбором рационального состава стали.
2.Получение мелкого зерна.
3.Повышение металлургического качества.
Ni – повышает вязкость, снижает порог хладноломкости.
Si, Mo, W, V – затрудняют разупрочнение при отпуске, позволяют повысить
температуру при отпуске и тем самым полнее снять закалочные напряжения.
Cr, Mn – увеличивают прокаливаемость.
Хромансаль – используют для силовых сварных конструкций, деталей
фюзеляжа, шасси и т. п. после изотермической закалки, это обеспечивает меньшую
чувствительность к надрезам и более высокое сопротивление разрушению.
Среднеуглеродистые стали, упрочнённые термомеханической обработкой
(ТМО)
ТМО совмещает два механизма упрочнения – пластическую деформацию
аустенита и закалку – в единый технологический процесс. Такое комбинированное
воздействие применительно к среднеуглеродистым легированным сталям: 30ХГСА,
40ХН, 40ХНМА, 38ХН3МА и т.д. обеспечивая σв = 2000…2800МПа при достаточном
запасе пластичности и вязкости.
Различают: ВТМО – высокотемпературную механическую обработку и
НТМО – низкотемпературную механическую обработку.
При ВТМО сталь деформируют при То С выше температуры А3 и немедленно
закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита.
При НТМО сталь деформируют в области повышенной устойчивости аустенита
(400-6000 С). Рекристаллизация при этих температурах не происходит, однако надо
избегать образования бейнитных структур.
ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-2000 С.
Особенности двух видов ТМО:
Наибольшее упрочнение достигается при НТМО (σв до 2800МПа). Однако её
проведение технологически более сложно, чем ВТМО, т.к. требуются большие степени
обжатия, аустенит в области температур 400-6000 С не столь пластичен. Кроме того,
НТМО пригодна для легированных сталей с большой устойчивость переохлаждённого
аустенита.
ВТМО обеспечивает меньшее упрочнение (σв до 2400МПа), но более высокие
пластичность и вязкость, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление
усталости и затрудняет разупрочнение при отпуске. ВТМО более технологична, т.к.
аустенит при температуре выше А3 пластичен и стабилен. Для ВТМО пригодны любые
конструкционные стали.
σв
≈ 3000МПа была получена: ВТМО + холодная деформация образцов из
низкоотпущенных среднеуглеродистых сталей.
2. Мартенситно-стареющие стали (материалы)
Это особый класс высокопрочных материалов. Их основа - безуглеродистые
(С< 0,03%) сплавы железа с содержанием 8-15% Ni, легированные Co, Mo, Ti, Al, Cr и
другими элементами.
Высокая прочность этих материалов (сталей) достигается совмещением двух
механизмов упрочнения:
1. Мартенситным превращением.
2. Главный – старение мартенсита.
σ
ТО – закалка от 800-8600 С на воздухе и старения 480-5200 С.
в достигает 9001100 МПа, но благодаря высокому содержанию никеля, кобальта стали имеют высокую
пластичность δ = 18-20%, вязкость КСU = 2-3МДж/м2 и малую способность к
упрочнению при холодной деформации. Последнее позволяет деформировать стали с
большими степенями обжатия.
Старение (выделение из мартенсита мелкодисперстных частиц вторичных фаз –
Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др.) приводит к повышению предела текучести, предела
упругости (σ0,002 = 1500МПа), к малой чувствительности к надрезам, к высокому
сопротивлению хрупкому разрушению обеспечивая высокую конструкционную прочность
изделий в широком диапазоне температур от криогенных до 450-5000С, понижает порог
хладноломкости.
Другое важное достоинство этих сталей – высокая технологичность:
- хорошо свариваются,
- неограниченная пркаливаемость,
- до старения легко деформируются,
- при ТО не происходит коробления и исключено обезуглероживание.
Несмотря на высокую стоимость - применяют для наиболее ответственных
деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в
приборостроении.
3. Метастабильные аустенитные стали (трипстали – ТО и пластическое
старение)
Новый класс высокопрочных материалов повышенной пластичности. Они
относятся к высоколегированным сталям: 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г4С2.
После закалки от температур 1000-11000С эти стали имеют устойчивую
аустенитную структуру (Мн лежит ниже 00С). Аустенит обладает высокой вязкостью, но
низким пределом текучести. Для упрочнения стали подвергают специальной тепловой
обработке: пластической деформации с большими степенями обжатия (50-80%) при
температуре 400-6000С, лежащей ниже температур рекристаллизации.
При этом
деформационное упрочнение (наклёп) совмещается с карбидным упрочнением,
развивающимся в результате деформационного старения.
В результате деформационно-термического упрочнения σт повышается до
1800МПа при высокой пластичности δ = 20% и трещиностойкости.
Высокая пластичность и вязкость разрушения обусловлена превращением
метастабильного аустенита в мартенсит деформации, на участках где была деформация.
Образующийся в таких участках мартенсит деформации упрочняет их на столько, что они
перестают быть слабыми участками, и деформация распространяется на соседние участки.
Ограничение применения этих сталей вызвано сложностью деформационнотермического упрочнения.
Главное достоинство – при одинаковой, довольно большой прочности по
сравнению с другими высокопрочными сталями, у этих сталей более высокая
пластичность.
Применение: детали авиаконструкций, броневой лист, проволока тросов и др.
Легированные стали
с повышенной циклической прочностью
Основной выбор стали для деталей (валов, осей, шатунов, штоков, валовшестерён и др.) служит предел выносливости σ-1 . Наряду с σ-1 используют и такие
параметры статической прочности, как σв , σ0,2 или НВ , что объясняется их устойчивой
связью с σ-1. При выборе марки стали учитывают также КСU, сопротивление износу,
прокаливаемость.
В соответствии с закономерностями усталостного разрушения высокая
циклическая прочность стали достигается в том случае, если она оказывает высокое
сопротивление зарождению трещины усталости и их развитию.
Трещины усталости (субмикроскопические трещины) зарождаются тем
труднее, чем выше сопротивление поверхностного слоя пластической деформации.
Развитие трещин усталости, наоборот, идёт тем труднее, чем легче
протекает пластическая деформация, и тем самым полнее релаксируют напряжения у
вершины трещины.
Исходя из этих закономерностей, упрочнение стали повышает сопротивление
зарождению трещин усталости, а повышение пластичности – сопротивлению их
развитию.
Таким образом, σ-1 стали зависит не только от её статической прочности, но и
от пластичности.
Надо помнить, повышая предел прочности, снижается предел выносливости.
Для деталей, работающих при циклических нагрузках, преимущественно
применяют стали нормальной и повышенной прочности. Ст5, Ст6, Сталь 35, 40, 45, 50,
55 и низколегированные 40Х, 50Х, 40ХН, 50ХН, 40ХНМА, 35ХГСА, 38ХН3МА и др.
обрабатываемые на структуру сорбит. ( З + ВО или Нормализация).
Характерная особенность улучшаемых сталей нормальной прочности – высокая
живучесть, обусловленная низкой скоростью роста трещины усталости (СРТУ).
Кроме высокой живучести важное достоинство улучшаемых сталей – малая
чувствительность к качеству поверхности (концентраторы напряжений – резьбы,
шпоночные канавки, мелкие отверстия, галтели малого радиуса и т.п.) и случайным
ударным нагрузкам.
Недостатки – улучшаемых сталей невысокий предел выносливости, величина
которого растёт по мере увеличения статической прочности стали.
При σв < 1200МПа коэффициент выносливости k = σ-1 / σв достигает мах = 0,5
Наиболее низкий предел выносливости у среднеуглеродистых сталей.
Применение – при ограничении стоимости
деталей или при больших
вибрационных нагрузках когда от материала требуется высокая демпфирующая
способность.
Надо помнить, жертвуя прочностью, повышаешь живучесть улучшаемых сталей,
позволяет своевременно выявить трещину и заменить деталь без аварийных последствий.
что
Стали повышенной прочности (σв = 1300- 1500МПа, 40-50 HRC) со структурой
троостит относятся к материалам функционального назначения – рессорно-пружинным
сталям.
Циклические нагрузки в этих сталях вызывают слабое деформационное
упрочнение поверхности (наклёп) и развитие её усталостной повреждаемости (большая
работа на зарождение трещины). Усталостное разрушение в этих сталях, как правило,
инициируют
поверхностные
концентраторы
напряжений:
риски,
царапины,
обезуглероженные участки и т.п.
Надо знать, что твёрдые (HRC > 50) высокопрочные стали с мартенситной структурой
обладают особо высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, что нейтрализует их
основное свойство – высокое сопротивление образованию трещин усталости.
Технология повышения
циклической прочности легированных сталей
Вместо объёмно-упрочнённых высокопрочных сталей применяют средне – и
низкоуглеродистые стали с поверхностным упрочнением.
1. Закалка с индукционным нагревом ТВЧ.
2. Химико-термической обработкой – цементацией (нитроцементацией),
азотированием.
3. Поверхностным пластическим деформированием (ППД) – обкатка
роликами, обдувкой дробью и др.
4. Комбинированными методами, включая ХТО и ППД.
Формирование высоких остаточных напряжений сжатия в поверхностных
слоях детали – важная составная часть технологии изготовления деталей машин
повышенного сопротивления усталости.
Выбор метода поверхностного упрочнения зависит:
1. От условий эксплуатации детали.
2. Формы и размеров детали.
3. Марки выбранной стали и других факторов.
Закалка с индукционным нагревом ТВЧ – широко используют в массовом
производстве для повышения долговечности
осей, пальцев, валов и других деталей
цилиндрической формы.
Структура – мелкоигольчатый мартенсит. 50-60 HRC. Толщина закалённого слоя
1-3мм.
Остаточные напряжения сжатия на поверхности 300-600МПа.
Предел
выносливости гладких валов увеличивается в 1,3-1,7 раза.
Обладая высокой производительностью, метод поверхностной закалки в то же
время мало эффективен для деталей сложной формы, для которых возможно только
местное упрочнение.
Химико-термическая обработка – обеспечивает равномерное упрочнение
деталей любой конфигурации, более высокую выносливость и одновременно
износостойкость поверхности.
Твёрдость поверхностных слоёв 59-63 НRС, высокие остаточные напряжения
сжатия, предел выносливости гладких валов возрастает в 1,1 – 2 раза.
Цементации – подвергаются зубчатые колёса, вал-шестерни и др. ТО – З+НО.
Высокая твёрдость поверхностного слоя и вязкая сердцевина, способная воспринимать
ударные нагрузки. Достоинство цементации – упрочнённые слои большой толщины (0,82мм), выдерживающие высокие удельные нагрузки. Однако максимальной циклической
прочности отвечает слои меньшей толщины (0,4-0,8мм), когда остаточные напряжения
сжатия высоки у поверхности, а очаг разрушения находится неглубоко от неё. С
увеличением толщины слоя остаточные напряжения сжатия и предел выносливости
снижаются.
Циклическая прочность цементованных деталей зависит от свойств
поверхностного слоя и сердцевины (σ =1200 – 1400 МПа и 43 - 45 HRC).
Такие свойства характерны для хромоникелевых и хромоникельмолибденовых
сталей: 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4МА, а также для сталей с повышенным содержания
углерода 25ХГМ, 30ХГТ и др.
Недостаток – сильная деформация при цементации. Устранение – шлифование
поверхностных слоё, толщиной 0,01 – 0,25 мм. (слои с остаточными напряжениями
сжатия). Для повышения остаточных напряжений сжатия после шлифования
поверхностный слой упрочняют обкаткой роликами или обдувкой дробью, отличающийся
большой универсальностью и производительностью, - для деталей любой конфигурации.
Азотированию – отдают предпочтение в тех случаях, когда нежелательна
деформация деталей при упрочнении или требуется повышение коррозионной стойкости
и высокая износостойкость поверхности. 38Х2МЮА, 40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4МА и др.
Толщина упрочнённого слоя небольшая (0,3 - 0,6мм). ТО сердцевины – улучшение.
Комбинированное упрочнение характеризуется высокой эффективностью,
поскольку ППД дополнительно увеличивает твёрдость поверхностных слоёв (на 10 – 20%)
и формирует в них высокие остаточные напряжения сжатия. В итоге предел выносливости
цементованных деталей увеличивается в 1,5 – 2 раза. ППД эффективно также для
деталей, закалённых с нагревом ТВЧ, особенно при обрыве упрочнённого слоя у
концентратора.
В коррозионных средах сопротивление усталости рассмотренных выше
некоррозионно-стойких сталей резко снижается и не зависит от их статической
прочности.
Материалы
с особыми технологическими
свойствами
Высокие технологические свойства:
1. Хорошая обрабатываемость резанием.
2. Штампуемость.
3. Свариваемость.
4. Пригодность к изготовлению высококачественных отливок (литьём) и
поковок (деформацией).
Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием.
Особое значение этих свойств имеет для массового производства, где широко
применяют автоматические линии.
Обрабатываемость оценивается:
1. Интенсивность изнашивания режущего инструмента.
2. Максимально
допустимая
скорость
резания,
соответствующая
определённой величины износа или заданной стойкости инструмента.
3. Чистота поверхности резания (налипание стружки).
4. Форма стружки и лёгкость её отвода.
Обрабатываемость стали зависит
от её механических свойств,
теплопроводности, микроструктуры и химического состава.
Особенно плохой обрабатываемостью отличаются аустенитные стали, которые
кроме высокой пластичности и вязкости имеют пониженную теплопроводность.
Выделяющая при их обработке теплота концентрируется в зоне резания, снижая стойкость
инструмента.
Повышение обрабатываемости резанием достигается:
технологическими и
металлургическими приёмами.
Технологические - нормализация с высоких температур, укрупняют зерно.
Низкоуглеродистые стали подвергаю холодной пластической деформации.
Металлургические – предусматривает введение в конструкционную сталь серы,
фосфора, селена (Е), кальция (Ц), свинца (С), которые образуют различные включения. А
последние создают как бы внутреннюю смазку, которая в зоне резания снижает трение
между инструментом и стружкой, а также облегчает её измельчение.
Такие стали называют АВТОМАТНЫЕ и маркируют буквой А, они могут быть
углеродистыми и легированные.
Автоматные сернистые А11, А12, А30, А35, А40Г – для снижения
красноломкости в них увеличивают количество марганца ( Г ).
Недостатки – пониженные вязкость, пластичность и особенно сопротивление
усталости в поперечном направлении прокатки. Низкая коррозионная стойкость.
Применение – крепёжные детали, а также малонагруженные детали сложной
формы, к которым предъявляются требования высокой точности размеров и чистоты
поверхности.
Автоматные свинцовосодержащие углеродистые АС14, АС40, АС35Г2,
АС45Г2 и легированные АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ,
АС40ХГНМ.
По обрабатываемости эти стали заметно превосходят сернистые. Введения
свинца ( С) повышает скорость резания на 30-40% и в 2-7 раз увеличивает стойкость
инструмента при сохранении принятой скорости резания.
Применение – на автозаводах для изготовления многих деталей двигателя.
Автоматные селеносодержащие ( Е ) углеродистые А35Е, А45Е хромистые
А40ХЕ ( содержание 0,04 – 0,10% Sе и 0,06 – 0,12% S). В отличие от серы селен
практически не снижает коррозионных свойств. Эти стали в 2 раза снижают расход
инструмента и до 30% повышают производительность обработки.
Автоматные кальцийсодержащие ( Ц ) ( 0,002 – 0,008% Са) АЦ20, АЦ30,
АЦ40Х, АЦ30ХН и др.
Эти стали предназначены для изготовления термически
упрочнённых деталей, обрабатываемых твёрдосплавным инструментом при высоких
(100 м/мин ) скоростях резания.
Стали с высокой технологической пластичностью (штампуемостью) и
свариваемостью.
Технологическая пластичность – способность металла подвергаться горячей и
холодной пластической деформации. Она зависит от химического состава стали, её
микроструктуры и контролируется параметрами механических свойств. В горячем
состоянии изготовляют фасонный прокат, поковки без дефектов (трещин, разрывов и т.п.)
Для глубокой вытяжки содержание углерода ограничивают до 0,1%. При 0,2 – 0,3%С
возможна только гибка и незначительная вытяжка, а при 0,35 – 0,45%С – изгиб большого
радиуса. Лучше всего деформируется сталь с мелким зерном, 7 -8 балл. При большем
зерне получается шероховатая поверхность (апельсиновая корка). Также не желательна
разнозернистая структура.
Контролируемыми параметрами механических свойств стали являются δ,% и
отношение σт/σв (рекомендуется 0,55 – 0,66), чем меньше тем выше способность
низкоуглеродистых сталей к вытяжке.
Для глубокой, сложной и особо сложной вытяжки используют малопрочные
(σв = 280 – 330 МПа), высокопластичные (δ =33 – 45%) стали 05, 08, 10 всех видов
раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатаного листа, подвергнутого
рекристаллизационному отжигу при Т = 650 – 690о С.
Свариваемость - способность получения сварного соединения, равнопрочного с
основным металлом. Для образования качественного соединения важно предупредить
возникновение в сварном шве различных дефектов: пор, непроваров и, главным образом,
трещин.
Характеристикой свариваемости металла служат: количество допускаемых
способов сварки и простота её технологии. Чем меньше углерода и легирующих
элементов тем лучше свариваемость. Углерод увеличивает склонность к образованию
горячих (расширяя интервал кристаллизации) и холодных трещин (образования
мартенситных структур при сварке). В связи с этим высокой свариваемостью обладают
стали, содержащие до 0,25% С.
Углеродистые Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, 08, 10, 15, 20
Легированные 09Г2(Д), 14Г2, 15ГФ(Д), 16ГС, 17ГС и др. для трубопроводов,
мостостроения, вагоностроения, судостроения.
14Г2АФ(Д),
15Г2СФ(Д),
16Г2АФ и др. для мостов,
металлоконструкций цехов, кранов, резервуаров.
При добавлении меди (Д) стали приобретают повышенную стойкость к
атмосферной коррозии.
Сварка всех этих сталей до 15мм не вызывает затруднений. Сварка больших
толщин и в термически упрочнённом состоянии требует подогрева и термической
обработки.
Сварка сталей содержащих углерода более 0,3%, высокохромистых,
хромоникелевых сталей в связи с неизбежными фазовыми превращениями в металле
требует специальных технологических приёмов – снижение скорости охлаждения,
применения защитных атмосфер и последующей термической обработки.
Сплавы с высокими литейными свойствами
Fe – C сплавы. Литейные свойства сплавов оценивают: жидкотекучестью,
величиной усадки, а также склонностью к образованию пористости, ликвацией, горячих
и холодных трещи.
Литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал
кристаллизации (эвтектические сплавы).
Лучшие литейные свойства имеют чугуны (солидус 1147оС для чугунов любой
концентрации углерода с эвтектическим превращением). Благодаря сочетанию высоких
литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной
дешевизны чугуны получили широкое распространение в машиностроении.
Их используют для отливок сложной формы при отсутствии жёстких
требований к габаритам и массе деталей.
Разновидности чугунов. Белый, серые (обычный серый, высокопрочный и
ковкий), легированный чугуны.
Белый - в структуре углерод находится в химически связанном состоянии (Fe3C).
Твёрдость 450 – 550НВ, хрупкий, износостойкий. Отбелённый чугун – отливки из серого
чугуна со слоем белого чугуна в виде твёрдой корки на поверхности. Изготовляют –
прокатные валки, тормозные колодки и другие детали работающие в условиях трения.
Серые – в структуре углерод находится в свободном состоянии в виде графита.
СЧ – называют чугуны с пластинчатой формой графита. Основные элементы: Fe
– C – Si и постоянные примеси: Mn, P, S. Почти все эти элементы влияют на условие
графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как
следствие, свойства чугуна.
Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита в чугуне и
тем ниже его механические свойства. В то же время снижение углерода отрицательно
сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных своствах.
Нижний предел углерода принимают для толстостенных отливок, верхний – для
тонкостенных.
Кремний – сильный графитизирующий элемент, способствует выделению
графита.
Марганец – затрудняет графитизацию, но несколько улучшает механические
свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках.
Сера – вредная примесь. Понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и
повышает склонность образованию трещин.
Фосфор – не более 0,3%Р, при большей концентрации фосфора (Р) приводит к
образованию тройной «фосфидной» эвтектики. Увеличивается жидкотекучесть, но
повышается твёрдость и хрупкость. Повышенное содержание фосфора допускается в
отливках, от которых требуется повышенная износостойкость, а также используемых для
художественного литья (до 1%Р).
Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от скорости
охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения увеличивается количество графита, с
увеличением – количество связанного углерода (Fе3С).
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической
основы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включений.
Чем больше перлита, тем выше прочность, твёрдость и износостойкость.
Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых
ничтожно мала, действуют как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую
основу и ослабляющие её. По этой причине серый чугун плохо сопротивляется
растяжению. Значительно меньше влияние графита при изгибе и особенно при сжатии,
т.е. «мягких» видах нагружения. Поэтому СЧ используют для деталей работающих на
сжатие.
Ухудшая механические свойства, графит в тоже время придаёт чугуну ряд
ценных свойств:
измельчает стружку при обработке резанием,
оказывает
смазывающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугуна, придаёт
ему демпфирующую способность,
пластинчатый графит обеспечивает малую
чувствительность чугуна к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивление
усталости деталей из чугуна соизмеримо со стальными деталями.
Ферритные СЧ – предназначены для слабо- и средне нагруженных деталей:
крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, а также суппорты тормозные барабаны,
диски сцепления и пр. СЧ10, СЧ15, СЧ18.
Ферритно-перлитные СЧ – применяют для деталей, работающих при
повышенных статических и динамических нагрузках:
блоки цилиндров, картеры
двигателей, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков,
зубчатые колёса и другие отливки. СЧ20, СЧ25.
Перлитные СЧ – используют для деталей, работающих при высоких нагрузках
или в тяжёлых условиях износа: зубчатые колёса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели,
распределительные валы и пр. СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45.
Для деталей работающих при повышенных температурах,
легированные серые чугуны: жаростойкие, жаропрочные.
применяют
Термическая обработка: отжиг Т= 560о для снятия внутренних напряжений и
стабилизации размеров;
нормализация или закалка с отпуском для повышения
механических свойств и износостойкости.
ВЧ – графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магния
Mg (0,02 – 0,08%). Чугун с шаровидным графитом обладает более высокой прочностью и
некоторой пластичностью. Он эффективно заменяет сталь во многих изделиях и
конструкциях.
Используют – для оборудования прокатных станов (прокатные валки), кузнечнопрессовое оборудование, турбостроении (корпус паровой турбины, лопатки
направляющего аппарата), в дизеле-, тракторо- и в автомобилестроении (коленчатые валы,
поршни) и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических
нагрузках и в условиях изнашивания.
Для улучшения механических свойств применяют: закалку и отпуск Т = 500600оС. Для увеличения пластичности и снятия внутренних напряжений – отжиг.
КЧ – графит имеет хлопьевидную форму. Их получают графитизирующим
отжигом из доэвтектических белых чугунов.
Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном,
автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и
дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжёлых
условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки.
Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и
газопроводных установок. Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна
позволяет изготовлять отливки сложной формы.
Недостаток ковких чугунов – повышенная стоимость из-за продолжительности
дорогостоящего отжига.
Медные сплавы
(литые и деформируемые)
Свойство меди (Сu) – металл красновато розового цвета, решётка ГЦК,
полиморфных превращений нет. Менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую
плотность.
Технологические свойства: прокатывается в тонкие листы, ленту, проволоку,
легко полируется, хорошо сваривается и паяется. Примеси снижают все эти свойства.
В зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди : М00,
(99,99% Сu), М0 (99,97%Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu).
Примеси: Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag – растворимые в меди элементы, повышают
твёрдость и прочность и используются для легирования сплавов на медной основе.
Pb, Bi (свинец и висмут) – не растворимые элементы, вызывают
красноломкость
ухудшают
механические
свойства.
Но,
свинец
улучшает
антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов.
Механические свойства меди в большей степени зависят от её состояния и в
меньшей от содержания примесей. См. таблицу для марки М1.
Состояние меди
Литая
Деформированная
Отожжённая
σв МПа
δ,%
160
450
220
25
3
50
НВ
40
125
55
КСU МД/м2
1,2 – 1,8
После деформации электропроводность меди резко падает. Отжиг для снятия
наклёпа проводят при Т = 550 – 6000 С в восстановительной атмосфере, так как медь легко
окисляется при нагреве.
По электропроводности и теплопроводности медь занимает второе место
после серебра.
Она применяется для проводников электрического тока и различных
теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов, кристаллизаторов.
Недостатки : высокая плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкая
жидкотекучесть.
Общая характеристика и классификация медных сплавов.
Сохраняя положительные качества меди (высокие теплопроводность и
электропроводность, коррозионная стойкость и др.), медные сплавы обладают хорошими
механическими, технологическими и антифрикционными свойствами.
Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов.
Некоторые однофазные сплавы достигают δ = 65%. По прочности медные сплавы
уступают сталям. И только бериллиевые бронзы после закалки и старении находятся на
уровне среднеуглеродистых легированных сталей, после улучшения (σв =1100- 1200 МПа)
Медные сплавы классифицируют:
1. По технологическим свойствам – деформируемые и литейные.
2. По способности упрочняться после ТО – упрочняемые и неупрочняемые.
3. По химическому составу на две основные группы – латуни и бронзы.
Латуни – медь с цинком, с предельной концентрацией цинка 39%. Практическое
значение имеют латуни, с содержанием до 45% Zn. Сплавы с большим содержанием Zn
отличаются высокой хрупкостью. Повышение содержания Zn удешевляют латуни,
улучшает их обрабатываемости резанием, способности прирабатываться и противостоять
износу. Вместе с тем уменьшается теплопроводность и электропроводность.
Латуни с содержанием 90% Сu и более называются томпаком. Л96.
Двойные латуни (двух компанентные Сu + Zn) по структуре подразделяют на две
группы:
1. Однофазные со структурой α – твёрдого раствора.
2. Двух фазные со структурой (α +β) фаз.
Однофазные латуни хорошо поддаются холодной пластической деформации,
которая значительно повышает их прочность и твёрдость. Поэтому из них выпускают
холоднокатаные полуфабрикаты: полосы, ленты, проволоку, листы, из которых
изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы,
трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твёрдость
(шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).
Двухфазные латуни ввиду малой пластичности при низких температурах эти
латуни выпускают в виде горячего полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок.
Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали
электрооборудования и др.
Двух фазные латуни практически не применяются для фасонных отливок, так как имеют
довольно большую концентрированную усадочную раковину.
Этот недостаток в меньшей степени присущ легированным латуням.
Легированные латуни применяют как для деформированных отливок, так и
виде фасонных отливок. Помимо свинца для легирования латуней используют: Al, Fe,
Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуней. Их применяют в
речном и морском судостроении (конденсаторные и манометрические трубки другие
детали). Оловянные латуни ЛО70-1 называют морскими.
Al повышает прочность, твёрдость. Обработка по схеме закалка + деформация +
старение обеспечивает σв до 1000 МПа.
Si
жидкотекучесть, свариваемость и способность к горячей и холодной
пластической деформации. Применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в
судо- и общем машиностроении. ЛК80-3.
Ni повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства.
ЛН65-5 хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.
Бронзы.
Оловянные бронзы (Cu – Sn). Практическое значение имеют бронзы,
содержащие только до 10% Sn. Двойные (двух компанентные) бронзы применяют редко,
так как они дороги. Для экономии более дорогостоящего компонента Sn в бронзы
добавляют от 2 до 15% Zn. Оловянные бронзы легируют: Pb, Ni, P.
Pb – повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость
резанием.
Р – повышает жидкотекучесть, износостойкость, предел упругости и
выносливость бронз.
Ni – способствует измельчению структуры и повышению механических свойств.
БрО3Ц12С5,
БрО4С17,
БрО10Ц2 и др. литейные бронзы полностью
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к структуре, антифрикционных сплавов.
Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде
способствует широкому их применению для пароводяной арматуры, работающей под
давлением ( до 30МПа).
БрОФ6,5 - 0,15, БрОЦ4 – 3, БрОЦС4 – 4 – 2,5 и др. деформируемые бронзы
для устранения дендритной ликвации, выравнивания химического состава и улучшения
обрабатываемости давлением применяют диффузионный отжиг Т = 700 – 750о С. Ри
холодной пластической деформации бронзы подвергают промежуточным отжигам при
Т = 550 – 700оС. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и
более высокой прочностью, чем литые.
Наряду с хорошей электрической проводимостью, коррозионной стойкостью и
антифрикционностью деформированные бронзы обладают высокими упругими
свойствами и сопротивлением усталости.
Используют – для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике,
электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими и некоторыми
технологическими свойствами, антикоррозионными и антифрикционными свойствами,
меньшая стоимость.
Однофазные бронзы: БрА5, БрА7 имеющие хорошую пластичность, относятся
к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности ( σв = 400-450 МПа)
и пластичности ( δ = 60%).
Двухфазные бронзы:
БрАЖ9-4,
БрАЖН10-4-4 выпускают в виде
деформированного полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных
отливок. Эти бронзы отличаются высокой прочностью (σв = 600 МПа) и твёрдостью >
100НВ. Недостатки: большая усадка, склонность к газонасыщению, окисляемость во
время плавки, образование крупнокристаллической столбчатой структуры, трудность
пайки.
Лучшие свойства двухфазных бронз после ТО (нормализация Т = 600-700оС или
закалка от Т = 950оС и отпуск при Т = 250-300оС.
Из алюминиево-железоникилевых бронз изготовляют детали, работающие в
тяжёлых условиях износа при повышенных температурах Т = 400-500оС: сёдла клапанов,
направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др.
Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими своствами
обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешёвым
марганцем БрАЖМц10-3-1,5.
Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими и
антифрикционными свойствами. Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно
обрабатываются резанием. Выпускаются в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для
фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо дорогих оловянных
бронз при изготовлении антифрикционных деталей, а также замены бериллиевых бронз
при производстве пружин, мембран и других деталей приборов работающие в пресной и
морской воде.
БрКН1-3, БрКМц3-1 после закалки от Т = 800оС и старения при Т = 500оС
эти бронзы имеют σ > 700МПа, δ ≈ 8%.
Износостойкие материалы
Виды изнашивания
Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трёх групп
факторов:
1. Внутренних, определяемые свойствами материала.
2. Внешних характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим
работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер её
приложения, температура).
3. Рабочей среды и смазочного материала.
Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы:
1. Детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения,
зубчатые передачи т.п.).
2. Детали, изнашивания которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и
т.п.).
Характерные виды изнашивания:
Для первой группы – абразивное (твёрдыми частицами), адгезионное (разрушение
поверхностей трения при схватывании, заедании, наиболее опасный и быстротечный вид
изнашивания), окислительное, усталостное, фреттинг-процес (повреждение поверхности в
виде ямок и язв).
Для второй группы – типично абразивное изнашивание (например, истирание
почвой), гидро- и газоабразивное (твёрдыми частицами, перемещаемыми жидкостью или
газом), гидро- и газоэрозионное (потоком жидкости или газов, кавитационное (от
гидравлических ударов жидкости).
Закономерности изнашивания деталей,
образующих пары трения, и пути уменьшения их износа.
Причина изнашивания сопряжённых деталей – работа сил трения.
Под
действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной
поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры,
развитие процессов усталости, окисление и др.
Наиболее полно силовое взаимодействие твёрдых тел объясняет молекулярномеханическая (адгезионно-деформационная) теория трения.
Эта теория трения определяет два основных пути повышения износостойкости
материалов:
1. Увеличение твёрдости трущейся поверхности.
2. Снижение прочности адгезионной связи.
Повышение твёрдости направлено на то, чтобы затруднить пластическую
деформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив по возможности
упругое деформирование участков контакта.
Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения
схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается
разделением поверхностей трения жидким, твёрдым (иногда газовым) смазочным
материалом.
В условиях трения решающее значение приобретает обеспечение
совместимости трущейся пары. Под совместимостью понимают свойство материалов
предотвращать схватывание при работе без смазочного материала или в условиях
нарушения сплошности масляного слоя. Совместимость достигается несколькоми
способами:
1. Использование защитных оксидных плёнок.
2. Закалка ТВЧ, ХТО - основной материал для одной из сопряжённых
деталей пары трения.
3. Подбор материалов пары трения. При сочетании твёрдого и мягкого
материалов схватывание проявляется в менее опасной форме. Например:
червяк выполняют из стали с высокой твёрдостью поверхности ( 4560НRС), а червячное колесо – из оловянистой бронзы, имеющей в
структуре мягкую составляющую.
4. Разделением поверхностей трения плёнками полимеров – фторопласта,
полиамида и т. п., которые отличаются низкой адгезией к металлам.
Надо помнить, что работоспособность многих узлов трения зависит от
скорости развития поверхностного усталостного выкрашивания (питтинга).
Сопротивление материала поверхностному выкрашиванию называют
контактной выносливостью. σR – как и при объёмной усталости, определяется
экспериментально (число циклов напряжений).
Повышение σR, как и при объёмной усталости, основано на увеличении
сопротивления поверхностного слоя деталей развитию пластической деформации.
Особый вид изнашивания – фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Этот вид
изнашивания развивается в местах сопряжения деталей, находящиеся в очень малом
относительном перемещении – на поверхности валов в местах насадки шестерни,
подшипников качения, а также в шлицевых, шпоночных и шарнирных соединениях, в
проушинах и на поверхности рессор. Повреждения поверхности имеют вид ямок и язв,
которые, как и питтинг, опасны тем, что существенно снижают сопротивление усталости
деталей.
Таким образом, в зависимости от механических и фрикционных свойств
износостойкие материалы подразделяют на три группы:
1. Материалы с высокой твёрдостью поверхности.
2. Антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения
скольжения.
3. Фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения
скольжения.
1. Материалы с высокой твёрдостью поверхности.
1.1 Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию.
Наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых
состоит из твёрдой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицей.
Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжёлых условиях работы в виде
литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким
содержания углерода (до 4%) и карбидообразующими элементами ( Cr, W, Ti ).
Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля. Она
может быть мартенситной, аустенито-мартенситной, аустенитной.
Для деталей работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с
мартенситной структурой. 25Х38, 30Х23Г2С2Т.
Детали, работающие при значительных ударных нагрузках – зубья ковшей
экскаваторов, пики отбойных молотков и др., изготовляют из сплавов с повышенным
содержанием марганца с аустенитно-мартенситной или аустенитной матрицей. 37Х7Г7С,
110Г13, 30Г34.
Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашивания,
применяют спеченные твёрдые сплавы, структура которых состоит из специальных
карбидов ( WC, TiC, TaC ), связанных кобальтом. А также высокоуглеродистые стали
(структура мартенсит + карбиды) – Х12, Х12М, Р18, Р6М5 и другие инструментальные
стали.
Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного
упрочнения и чугуны применяют для более лёгких условий изнашивания. Для деталей,
работающих в условиях граничной смазки – гильзы цилиндров, коленчатые валы,
поршневые кольца и пр., где абразивное изнашивание сопутствует другим видам
изнашивания, например, окислительному.
Поверхностное упрочнении – ХТО (цементация, азотирование) и более
износостойкое - закалка с нагревом ТВЧ.
1.2 Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания.
Это материалы предназначены для таких изделий массового производства, как
подшипники качения и зубчатые колёса. Высокая контактная выносливость может быть
обеспечена лишь при высокой твёрдости поверхности.
Подшипниковая сталь.
Подшипники качения работают при низких
динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких
высокоуглеродистых сталей. ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20ГС. Прокаливаемость
стали увеличивается по мере увеличения хрома в стали.
Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой
мелкозернистого перлита
179 – 217НВ и повышенными требованиями: строго
регламентированы карбидная неоднородность и загрязнённость неметаллическими
включениями.
Т.О. – неполная закалка от 820 – 850оС, низкому отпуску и обработке холодом
для стабилизации структуры - 70…- 80оС.
Структура – мартенсит с включениями
мелкими карбидами, 60 – 64НRC.
Применяют
- Сталь ШХ15-Ш
с электрошлаковым переплавом для
высокоточных приборных подшипников, детали которых требуют тщательного
полирования с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения.
Сталь ШХ4 для роликовых подшипников железнодорожного транспорта,
после закалки с индукционным нагревом с глубиной прокаливаемости до 2 – 3 мм и
вязкой сердцевиной.
Сталь 12ХН3А, 12Х2Н4А для крупно габаритных роликовых подшипников
(диаметром до 2м), подвергают цементации на большую глубину (3 – 6мм).
Сталь 95Х18 для подшипников, работающих в агрессивных средах.
Стали для зубчатых колёс.
Основное требование – контактная
выносливость, кроме этого сопротивление усталости при изгибе, износостойкость
профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Выбор стали и метода
упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований технологии и
имеющегося оборудования.
Для зубчатых колёс, работающих при высоких контактных нагрузках,
применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. При постоянной
твёрдости поверхности контактная выносливость растёт с увеличением толщины
упрочнённого слоя и твёрдости сердцевины. Толщина цементованного слоя принимается
равной (0,20 – 0,26) m (m – модуль колеса), но не более 2мм. Твёрдость поверхности
составляет 58 – 63НRС, сердцевины 30 – 42НRС.
Для сильно нагруженных зубчатых колёс (в редукторах вертолётов, судов,
самолётов) диаметром 150 – 600мм и более применяют 20ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА
и др.
Для мелких и средних колёс приборов, сельскохозяйственных машин
применяют 15Х, 15ХФ, 20ХР и др. Цементация и ТО.
Для авто- и тракторостроения (массовое производство) применяют экономно –
легированные стали 18ХГТ, 30ХГТ, 20ХНМ, 20ХГР и др. после нитроцементации. А
также сложнолегированные стали 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 20Х3МФА после ионной
нитроцементации, которая обеспечивает в 2 – 3 раза более высокую контактную
выносливость, чем газовая ХТО.
Для средненагруженных зубчатых колёс сложной конфигурации, шлифование
которых затруднено применяют 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др. после азотирования.
Надо помнить, что азотирование обеспечивает высокую твёрдость, но из-за небольшой
толщины упрочнённого слоя возможны подслойные разрушения.
Для деталей малых и средних размеров после поверхностной или объёмной
индукционной закалке с последующим низким отпуском используют стали 40, 45, 50Г,
40Х, 40ХН или дешёвую 58(55ПП) пониженной прокаливаемости. По нагрузочной
способности они уступают цементуемым сталям.
Допускают для зубчатых колёс, работающие при невысоких нагрузках,
изготовлять из стали 40, 45, 40Х, 40ХН и др. после нормализации и улучшения.
Для волновых передач и небольших зубчатых колёс, работающие при малых
нагрузках и скоростях, применяют неметаллические материалы: текстолит,
древеснослоистые пластики, полиамиды-капрон, нейлон. Используют – привод
спидометров и распредвалов автомобилей, текстильных и пищевых машин. Достоинство –
отсутствие вибрации и шума, высокая химическая стойкость.
1.3 Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и
ударных нагрузках.
Трение с высокими давлениями и ударным нагружением характерно для работы
траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов
и других деталей. Их изготовляют из высокомарганцовистых аустенитной стали 110Г13Л.
Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьём (буква Л в марке
стали) или ковкой. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью
аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклёпу).
ТО – закалка в воде от Т = 1100оС. Получение однородной аустенитной
структуры. В условиях ударного воздействия твёрдость на поверхности возрастает до
600НВ и сталь становится износостойкой. Но к абразивному изнашиванию сталь не
износостойкая.
Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается
также при кавитации, которое возникает при работе гребных винтов, лопастей
гидротурбин, цилиндров гидронасосов. Кавитационное изнашивание создают струи
жидкости в момент захлопывания пузырьков газа или воздуха (микроудары).
В качестве кавитационно-стойких сталей применяют 08Х18Н10Т, 30Х10Г10
и др. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклёп и частичное
мартенситное превращение, на развитие которых расходуется энергия удара. Упрочнение
поверхности стали в условиях эксплуатации затрудняет образования трещин
усталости.
2. Антифрикционные материалы.
Основное
служебное
свойство
подшипникового
материала
–
антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность
материала обеспечивать: а) низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие
потери на трение и б) малую скорость изнашивания сопряжённой детали – стального или
чугунного вала.
Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового
материала:
1. Высокая теплопроводность.
2. Хорошая смачиваемость смазочным материалом.
3. Способность образовывать на поверхности защитные плёнки мягкого
металла.
4. Хорошая прирабатываемость (способность материала при трении легко
пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического
контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры
на поверхности подшипника).
Критериями для оценки подшипникового материала служат - коэффициент
трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики (давление p, действующее
на опору; скорость скольжения v; параметр pv, определяющий удельную мощность
трения).
Для подшипников скольжения используют:
1. Металлические материалы.
2. Неметаллические материалы.
3. Комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные камни).
2.1 Металлические материалы.
Металлические материалы по своей структуре подразделяют на два типа:
1. Сплавы с мягкой матрицей и твёрдыми включениями.
2. Сплавы с твёрдой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди (латуни и
бронзы).
Баббиты – мягкие (30НВ) антифрикционные сплавы на оловянной и свинцовой
основе. Б83, Б88 – на оловянной основе; Б16, БС6, БН – на свинцовой основе. Особую
группу образуют более дешёвые свинцово-кальциевые баббиты: БКА, БК2.
По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы,
но значительно уступают им по сопротивлению усталости. Лучшими свойствами
обладают оловянистые баббиты, но из-за высокого содержания дорогостоящего олова их
используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и
т.п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов состоит
из твёрдого раствора сурьмы (Sn) в олове (Sb), мягкая фаза и твёрдых включений SnSb и
Cu3Sn.
Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место
занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовые бронзы. БрО10Ф1, БрО10Ц2,
и БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 и др. Например, свинцовистая бронза – БрС30. Бронзы
применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей,
компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях
скольжения.
Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по
антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни: ЛЦ16К4,
ЛЦ38Мц2С2, Лц40Мц3А и др. применяют при малых скоростях скольжения (2м/с) и
невысоких нагрузках – для опор трения приборов.
Серые чугуны для работы при значительных давлениях и малых скоростях
скольжения: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2, а также СЧ15,
СЧ20. С целью уменьшения износа сопряжений детали марку чугуна выбирают так,
чтобы его твёрдость была ниже твёрдости стальной цапфы. Достоинство чугунов –
невысокая стоимость. Недостатки – плохая прирабатываемость, чувствительность к
недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной
нагрузки.
Многослойные подшипники
в состав которых входят многие из
рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями,
каждый из которых имеет определённое назначение.
Пример – четырёхслойный подшипник в автомобильном двигателе. Основание
– стальное, на которое наносят слой (250мкм) свинцовистой бронзы (БрС30). Этот слой
покрыт тонким слоем (10мкм) никеля или латуни. На него наносят слой сплава Pb-Sn
толщиной 25мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жёсткость подшипника;
верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Слой никеля служит барьером, не
допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.
2.2 Неметаллические материалы. (Для информации)
Пластмассы – термореактивные (текстолит) и термопластичные (полимеры).
Текстолит – тяжёлый режим работы, смазываются водой, которая хорошо их
охлаждает и размягчает поверхностный слой. Применяют: подшипники прокатных
станов, гидравлических машин, гребных винтов.
Полимеры – наиболее широко применяют полиамиды: ПС10, анид, капрон,
фторопласт (Ф4, Ф40). Низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и
коррозионная стойкость. Работают при небольших нагрузках и плохо отводит тепло.
2.3 Комбинированные материалы.
(Для информации)
Двух типов:
Первый – самосмазывающиеся подшипники. Получают методом порошковой
металлургии: железо – графит, железо – медь – графит или бронза – графит. Такие
подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3м/с), отсутствие
ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки мест.
Второй – металлофторопластовые подшипники. Изготовляют из
металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде свёртных втулок методом точной
штамповки. Лента состоит из четырёх слоёв. ( 1 – приработочный, фторпласт, 2 –
бронзофторопластовый, 3 – медный, 0,1 мм,
4 – стальная основа). Работают при
тяжёлых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327оС. Их используют в
узлах трения, работающих без смазочного материала, в вакууме, жидких средах, а также
при наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющееся
материала. Применяют в авиационной , машиностроительной и других отраслях
промышленности.
2.4 Минералы (Для информации)
Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их
заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных
подшипников скольжения – камневых опор. Их используют в прецизионных приборах –
часах, гироскопах, тахометрах и т.д. Главное достоинство таких опор – низкий и
стабильный момент трения.
3. Фрикционные материалы.
Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах,
передающий крутящий момент. Они работают в тяжёлых условиях изнашивания – при
высоких давлениях (до 6МПа), скоростях скольжения (до 40м/с) и температуре,
мгновенно возрастающей до 1000оС.
Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь:
1. Высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент
трения.
2. Минимальный износ.
3. Высокие теплопроводность и теплостойкость.
4. Хорошую прирабатываемость.
5. Достаточную прочность.
Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным
деталям, например дискам трения.
Неметаллические материалы – применяют при лёгких (Т = 200оС, p = 0,8МПа)
и средних (Т= 400оС, p = 1,5МПа) режимах трения. Состав – асбест, связующие смола,
каучук и специальные добавки, а также металлы в виде стружки медь, алюминий, свинец
и т.д. ФК-24А,
ФК-16Л.
Недостатки – невысокая теплопроводность, из-за чего
возможны перегрев и разрушение.
Металлические спечённые материалы – применяют при тяжёлых режимах
трения (Т = 1200оС, p = 6МПа). Их производят на основе железа ФМК-8, ФМК-11 и
меди МК-5.
Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах
трения без смазочного материала, а на основе меди – при смазывании маслом.
В многодисковой тормозной системе самолётов используют бериллий из-за его
высокой теплоёмкости , теплопроводности и малой плотности.
Материалы с высокими упругими свойствами
Используют в машиностроении для – изготовления рессор, амортизаторов,
силовых пружин различного назначения; в приборостроении – для многочисленных
упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т.п.
Особенность их работы состоит в том, что при больших статических,
циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация.
В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных
для всех конструкционных материалов (прочность, пластичность, вязкость,
выносливость), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим
деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление
малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при
длительном статическом или циклическом нагружении – релаксационной стойкостью.
Релаксационная
стойкость
оценивается
сопротивлением
релаксации
напряжений. Релаксация напряжений характеризуется снижением рабочих напряжений
при заданной упругой деформации. Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе
части упругой деформации в пластическую упругие элементы после разгрузки изменяют
размеры и форму, теряют упругие и эксплуатационные свойства.
Для достижения в сплаве высокого предела упругости и релаксационной
стойкости необходимо создать стабильную дислокационную структуру т. е.
заблокировать практически все дислокации. Это создаётся путём:
легирования,
повышение плотности дислокаций, выделение дисперсных частиц вторичной фазы.
Наиболее благоприятную субструктуру, с точки зрения упругих свойств,
формирует термомеханическая обработка ТМО. Её успешно применяют для всех
пружинных сплавов.
1. Рессорно-пружинные стали.
Стали с повышенным содержанием углерода 0,5 – 0,7%, которые подвергают
закалке и отпуску при Т = 420-520оС на структуру троостита. Троостит отличается
стабильной дислокационной структурой, обеспечивающая высокие упругие свойства и
хорошие пластичность и вязкость, что важно для снижения чувствительности к
концентраторам напряжений и увеличения предела выносливости.
Хорошие результаты даёт также изотермическая закалка на структуру нижний
бейнит.
Сталь для пружин перед навивкой отжигают. Сталь для рессор поставляют в
виде полос. Нарезанные из них заготовки закаливают в специальных штампах с
определённой стрелой прогиба, затем отпускают и собирают в виде пакета.
Углеродистые стали Сталь 65, 70, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г. Из-за низкой
прокаливаемости из них изготовляют пружины небольшого сечения, работают при
температурах не выше 100оС.
Легированные стали : дешёвые кремнистые 55С2, 60С2, 70С3А, 60СГА
применяют для пружин и рессор толщиной до 18мм. Стали 50ХФА, 50ХГФА более
теплостойкие, повышенной вязкости, менее чувствительны к надрезам. Для рессор
легковых автомобилей, клапанных и других пружин ответственного назначения, которые
могут работать при Т = 300оС. Стали 60С2ХА, 60С2Н2А - прокаливаемость до 50 –
80мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и
рессор.
Наиболее высокие механические свойства имеют стали: 70С3А, 60С2ХА,
60С2Н2А. Предел упругости составляет σ0,01 = 1600МПа, твёрдость 38 – 48НRС.
2. Пружинные материалы приборостроения.
Одной из важнейших эксплуатационных требований – точная и стабильная
характеристика. Характеристикой называют зависимость деформации упругого элемента
от приложенного усилия (напряжения). Характеристика упругого элемента должна быть
линейной, иначе нельзя обеспечить необходимую точность прибора. Кроме того, она
должна допускать возможно большее упругое перемещение. Чем оно больше при одном и
том же усилии, тем выше чувствительность упругого элемента и меньшая относительная
ошибка при измерении.
Характеристика упругого элемента зависит от его конструкции (числа витков
пружины, диаметра проволоки и т.п.) и упругих свойств материала: модуля упругости и
предела упругости.
Кроме высоких пределов упругости, выносливости и релаксационной стойкости,
пружинные материалы приборостроения, должны обладать: высокой коррозионной
стойкостью, немагнитностью, электропроводностью.
Рабочее напряжение упругого элемента должно быть ниже предела упругости
материала, так как при нагрузках, близких к пределу упругости, в сплавах проявляется
неупругие эффекты, ухудшающие работу элемента и всего прибора. Чем выше предел
упругости материала относительно рабочих нагрузок, тем меньше неупругие эффекты и
выше класс точности прибора.
Стали,
имея высокий модуль упругости, не обеспечивают высокой
чувствительности упругих элементов приборов.
Бериллиевые бронзы БрБ2; БрБНТ1,9; БрБ2,5; после закалки и старения
используют для изготовления упругих элементов ответственного назначения. Это сплавы
на медной основе с высоким пределом упругости и низким модулем упругости. Кроме
того сплавы обладают: высокой коррозионной стойкостью, электропроводимостью,
немагнитностью, хорошей технологичностью, а также способностью упрочняться
термической обработкой.
Железоникилевые сплавы
36НХТЮ, 36НХТЮМ8 менее дефицитные и
дешевле бериллиевых бронз. Сплавы применяют для упругих элементов, являются
сплавами на железной основе. Высокое содержание Ni и Cr обеспечивает получение
аустенитной структуры и способствует высокой коррозионной стойкости и хорошим
технологическим свойствам (обработка давлением и свариваемость). Т.О. – закалка от
Т = 925 – 950оС и старение при 700оС или термомеханическая обработка.
Материалы с малой плотностью
Материалы с малой плотностью – лёгкие материалы. Применение – снизить
массу, увеличить грузоподъёмность летательных аппаратов без снижения скорости и
дальности полёта, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного
транспорта.
К ним относятся – пластмассы, цветные металлы Al, Mg, Be, Ti, и сплавы на
их основе, а также композиционные материалы. Особенно перспективны материалы,
которые дают возможность снизить массу конструкции при одновременном повышении
их прочности и жёсткости.
Основными критериями при выборе конструкционных материалов в этом случаи
являются: удельная прочность σ/ρg и удельная жёсткость Е/ρg.
(
ρ – плотность кг/м3, g – ускорение свободного падения)
Материалы с высокой удельной прочность (сплавы Ti, Ве, композиционные
материалы) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. А
большинство цветных металлов и сплавов на их основе не обладает высокими
прочностью, удельной прочность и удельной жёсткостью и предназначены главным
образом для изготовления мало- и средненагруженных деталей.
Сплавы на основе алюминия.
Аl.
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, не имеет полиморфного
превращения, обладает
малой плотностью, хорошей теплопроводностью и
электропроводностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси (Fe,
Si, Cu, Zn, Ti) ухудшают все эти свойства.
Три класса: А999 – особо чистый; А995, А99, А97 – высокой чистоты; А85, А8 –
технический.
Марки технического алюминия: АД0, АД1 – листы, профили, прутки и др.
изделия от которых требуется лёгкость, свариваемость, пластичность.
Изготовляют – рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти
и нефтепродуктов, посуду. Высокая электропроводность позволяет изготовлять –
конденсаторы, провода, кабель, шины и др. Высокую отражательную способность
алюминия используют – для прожекторов, рефлекторов, экранов телевизоров.
Недостатки
затвердевании.
Al
–
плохо
обрабатывается
резанием,
большая
усадка
при
Алюминиевые сплавы классифицируют:
1. По технологии изготовления (деформируемые, литейные, спеченные).
2. По способности к термической обработке (упрочняемые, неупрочняемые).
3. По свойствам.
Деформируемые алюминиевые сплавы и неупрочняемые ТО АМц, АМг (АМг1,
АМг6). Высокая пластичность, хорошая свариваемость, высокая коррозионная стойкость.
Применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется
высокая коррозионная стойкость: трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, а
также для заклёпок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъёмных кранов,
рам вагонов, кузовов автомобилей и др.
ТО – отжиг с температур 350 – 420 оС. Для повышения прочности этих сплавов
иногда используют пластическую деформацию, но ограниченно, так как снижается
пластичность.
Деформируемые алюминиевые сплавы и упрочняемые ТО (дуралюмины, ковочные
и высокопрочные) Д1 – Д16, АК8, В96.
Дуралюмины – сплав системы Al – Cu – Mg. ТО – закалка с температур 495 –
о
505 С и старение. Естественное старение длится 5 – 7 суток. Искусственное старение
(190оС 10 часов) подвергают детали которые будут работать при повышенных
температурах (200оС). Применяют в авиации лопасти воздушных винтов, шпангоуты,
тяги управления, заклёпочный материал.
Ковочные алюминиевые сплавы системы Al – Cu – Mg – Si их применяют после
закалки с температур 450 – 475оС и искусственного старения. Используют - для
средненагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги,
крепёжные детали. АК8 – с повышенным содержанием меди, хуже обрабатываются
давлением, но более прочны: подмоторные рамы, пояса лонжеронов, лопасти винтов
вертолётов.
Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu, прочность σ =
600-700 МПа. ТО – закалка с температур 465 – 475оС и старение (140оС, 16 час). Однако
после такой ТО падает пластичность и вязкость разрушения. Для их повышения
подвергают двухступенчатому смягчающему старению. 1. Т = 100-120оС, 3-10 час. 2. 160170оС, 10-30 час. При меняют – высоконагруженных деталей конструкций, работающих в
основном в условиях напряжения сжатия: обшивка, шпангоуты, лонжероны самолётов.
Литейные алюминиевые сплавы, АЛ. По химическому составу
Al – Cu, Al –
Mg,
Al –Si (силумины) – высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или
низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность. Они
хорошо свариваются, обрабатываются резанием только силумины легированные медью.
Двойные сплавы не упрочнятся термической обработкой. Единственным способом
повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путём
модифицирования натрием. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины.
Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti их подвергают
термическому упрочнению. Закалка с Т = 515 – 535оС и искусственное старение с Т = 150
– 180оС (10 – 20 час). АЛ4 – с магнием и марганцем; АЛ9 – с магнием. Применяют
легированные силумины для средних и крупных литых деталей ответственного
назначения: корпусов компрессоров, картеров, головок цилиндров.
АЛ32 – считается высокопрочный сплав системы Мn – Ti для литья под давлением
нагруженных деталей: блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных
двигателей.
АЛ7, АЛ19 системы Al – Cu используют при повышенных температурах до
300оС.
АЛ8, АЛ27 системы Al – Mg, обладают высокой коррозионной стойкостью,
вязкостью, хорошей обрабатываемостью резанием. Применяют для изготовления деталей,
работающих в условиях высокой влажности, в судостроении, самолёто- и ракетостроении.
Гранулированные (спеченные) сплавы называют сплавы, полученные путём
компактирования из частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью
кристаллизации 103 - 106 о С/с. Такие сплавы представляют собой алюминиевую матрицу
с
равномерно
распределёнными
дисперсными
включениями
второй
фазы
(интерметаллиды тугоплавких металлов Fe, Ni, Co).
Сплавы на основе магния Mg.
Магний – металл серебристо – белого цвета. Он не имеет полиморфного
превращения. Отличается низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием,
способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.
В зависимости от содержания примесей Fe, Si, Ni, Cu установлены следующие
марки магния: Мг96, Мг95, Мг90. Примеси понижают и без того низкие пластичность
и коррозионную стойкость.
Надо помнить: при нагреве магний активно окисляется и при Т = 623оС на
воздухе воспламеняется. Порошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляет
большую опасность, так как самовозгорается на воздухе при обычных температурах,
горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепительно яркого
света.
Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал
практически не применяется.
Общая характеристика и классификация магниевых сплавов.
Достоинства магниевых сплавов – высокая удельная прочность (σ/ρg). Предел
прочности достигает σ = 250 – 400МПа при плотности ρ = 2 х 103 кг/м3 .
Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn,
а также цирконий, кадмий и др.
ТО – закалка и искусственное старение (до 200оС), но очень длительные выдержки
(16 – 30 час), из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твёрдом растворе.
Из других видов ТО применяют: гомогенизационный, рекристаллизационный,
отжиг для снятия остаточных напряжений.
Преимущества
- хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали,
алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Удовлетворительно
свариваются (в среде инертных газов) контактной роликовой и дуговой сваркой.
Недостатки – низкая коррозионная стойкость, малый модуль упругости, плохие
литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их
приготовлении.
Плавку и разливку магниевых сплавов ведут под специальными флюсами.
По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют:
1. На литейные МЛ (МЛпч – повышенной чистоты).
2. На деформируемые МА (МАпч – повышенной чистоты).
3. А также по механическим свойствам (невысокой и средней прочности,
высокопрочные и жаропрочные), по склонности к упрочнению с помощью
ТО (упрочняемые и неупрочняемые).
Деформируемые магниевые сплавы. МА.
Наибольшей прочность обладают сплавы системы Mg – Al и Mg – Zn
легированные: цирконием, кадмием, серебром, редкоземельными металлами.
Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластичность,
что позволяет изготовлять из них кованные и штампованные детали сложной формы:
крыльчатки, жалюзи капота самолёта.
Сплавы системы Mg – Al, дополнительно легированные серебром и кадмием
МА10, обладают самой высокой прочностью σ = 430МПа и удельной прочностью (24
км) среди магниевых сплавов. Считаются высокопрочные сплавы системы Mg – Zn
дополнительно легированные цирконием МА14, кадмием, РЗМ: МА15, МА19 и др.
Недостатками магниевых сплавов являются:
сложность приготовления,
склонность к образованию трещин, затрудняющих горячую прокатку и сварку сплавов.
Применяют для несвариваемых
сильно нагруженных деталей:
обшивки
самолётов, деталей грузоподъёмных машин, автомобилей, ткацких станков и др.
Литейные магниевые сплавы
Преимуществом литейных сплавов перед деформируемыми является –
значительная экономия металла при производстве деталей, поскольку высокая точность
размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключает их обработку
резанием.
Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном находятся на
уровне свойств литейных алюминиевых сплавов, но, обладая меньшей плотностью,
магниевые сплавы превосходят их по удельной прочности.
Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg – Al – Zn. Наилучшее
сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы: МЛ5, МЛ6.
ТО – гомогенизация при Т = 420оС и закалка с этих температур на воздухе,
старение при 170-190оС дополнительно повышает предел прочности и особенно предел
текучести.
Применение : самолетостроение (корпуса приборов, насосов, коробок передач и
др.), ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки,
стабилизаторы), конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колёса, помпы
и др.) в приборостроении(корпуса и детали приборов).
Более высокими технологическими и механическими свойствами при 20 – 25оС и
повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием МЛ12, а также
сплавы, дополнительно легированные кадмием МЛ8, РЗМ - МЛ9, МЛ10.
Неметаллические материалы
(термопластичные и термореактивные пластмассы).
Общая характеристика и классификация пластмасс
Пластмассами – называют материалы, изготовленные на основе полимеров. Состав
композиций разнообразен:
1. Простые пластмассы – это полимеры без добавок.
2. Сложные пластмассы – это смеси полимеров с различными добавками
(наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, отвердители и др.)
Наполнители – 40-70% по массе. Для повышения механических свойств, снижения
стоимости и изменения других параметров. Это органические и неорганические вещества
в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, тальк, графит), волокон (стеклянные,
асбестовые), листов (бумага, ткани и др.).
Стабилизаторы – различные органические вещества, для сохранения структуры
молекул и стабилизации свойств. Добавки стабилизаторов замедляют старение.
Пластификаторы – 10-20%, для уменьшения хрупкости и улучшения
формуемости. Это эфиры.
Отвердители – для отверждения. Это органические перекиси и другие вещества,
серу (в резинах).
Применение
пластмасс как конструкционных материалов экономически
целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоёмка, число
операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали,
как правило, не нуждаются в отделочных операциях.
Недостатки: ограниченная теплоёмкость, малая жёсткость, меньшая вязкость
по сравнению с металлами.
Механические свойства термопластичных пластмасс (термопласты).
( полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид)
1. Зависимость от температуры. При повышении температуры теряется
прочность, склонность к ползучести.
Как конструкционный материал их
используют при Т < 50оС. При охлаждении ниже 25оС прочность растёт, но
одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам.
2. Зависимость от длительности нагружения. При статическом нагружении в
течение года предел прочности понижается вдвое.
3. Зависимость от скорости деформирования.
При увеличении скорости
деформирования повышается жёсткость пластмасс и возрастает склонность к
хрупкому разрушению.
4. Зависимость от структуры. Пластмассы – анизотропные. Ориентация молекул –
одна из причин растрескивания изделий, особенно под влиянием некоторых
растворителей и других активных сред.
Недостатки:
невысокая теплостойкость,
нестабильность свойств из-за
старения, ползучесть под действием нагрузки.
Преимущества: термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются
усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. В своём
большинстве термопласты нечувствительны к топливу и смазочным материалам и в
контакте с ними прочность не снижается.
Условия выбора учитывать их горючесть. Как правило, термопласты
самозатухают после удаления их из пламени. Одним из самых огнеопасных является
полистирол.
Механические свойства термореактивных пластмасс (реактопласты)
Получают
на
основе
эпоксидных,
полиэфирных,
полиуретановых,
фенолоформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Их применяют в
отверждённом виде. Они нерастворимы, способны лишь набухать в отдельных
растворителях, водостойки и поглощают не более 0,1 – 0,5% Н2О.
Преимущества: большая стабильность механических свойств, относительно
малая зависимость от температуры, скорости деформирования и длительности действия
нагрузки.
Используют : в виде клеев, а также при изготовлении оболочковых форм для
отливок, различной технологической оснастки, абразивного инструмента.
Склеивание применяют там, где клеевая плёнка работает на срез;
при
приклеивании тормозных обкладок, фиксации болтов и шпилек, закрепление вкладышей
подшипников и т.п.
Материалы с высокой удельной прочностью
(Тi – титан, Ве – бериллий, композиционные материалы)
Достоинство сплавов титана – хорошие технологические свойства и отличная
коррозионная стойкость.
Бериллий и композиционные материалы выгодно отличают от сплавов титана –
высокая удельная жёсткость.
Удельная жёсткость
E/ρg
( Е – модуль нормальной упругости,
ρ – плотность
кг/м3 , g – ускорение свободного падения) это важнейшая характеристика современных
конструкционных материалов. Высокая удельная жёсткость в сочетании с хорошей
удельной прочностью σв/ρg позволяет снизить массу конструкции при повышении её
прочности и жёсткости. Это особенно важно в самолёто- и ракетостроении.
Титан и сплавы на его основе
Титан – металл серого цвета.
Имеет две полиморфные модификации.
о
Низкотемпературная до 882 С Tiα (ГПУ решётка) и высокотемпературная Тiβ (ОЦК
решётка) при Т = 900оС.
Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей (водород,
кислород, азот и углерод) ВТ 1 – 00, ВТ1 – 0. Водородная хрупкость наиболее опасна в
сварных конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений.
Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью до температур 20 –
25оС, но и в условиях глубокого холода.
Пластическая деформация повышает прочность почти в 2 раза. Для снятия наклёпа
проводят рекристаллизационный отжиг Т = 650 – 750ОС.
Технический титан хорошо: сваривается аргонодуговой сваркой, обрабатывается
резанием – изготовляют все виды прессованного и катанного полуфабриката: листы,
проволоку, трубы, поковки.
Недостатки – низкие антифрикционные свойства.
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов.
Практическое значение для легирования титана имеет только Al, так как кислород
и азот сильно охрупчивают титановые сплавы. Введения алюминия в титановые сплавы
уменьшают их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль
упругости, прочность при 20 – 25оС и высоких температурах.
Большинство легирующих элементов Мо, V, Cr, Mn повышают прочность,
жаропрочность, несколько снижая их пластичность. Кроме того, они способствуют
упрочнению сплавов с помощью термической обработки.
Нейтральные легирующие элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру
полиморфного превращения α → β. Легирование титановых сплавов нейтральными
элементами не меняют их фазового состава. Они влияют на свойства α и β – фаз, в
которых они растворяются. Наибольшее практическое значение имеют Sn и Zr. Олово
повышает прочность без заметного снижения пластичности, цирконий увеличивает
предел ползучести.
Особенности термической обработки титановых сплавов.
Титановые сплавы в основном подвергают: отжигу, закалке и старению, а
также ХТО.
Отжиг – для снятия наклёпа. Температура отжига должна быть выше
температуры рекристаллизации, но не может превышать границу перехода в β –
состояние во избежание роста зерна. Трек = 400-600оС. Тотж = 670-800оС с выдержкой от
15 мин. до 3 час.
Упрочняющая ТО (закалка + старение) - применима только к сплавам с (α + β) –
структурой. Закалка состоит в нагреве до β – состояния и охлаждения в воде.
Превращение идёт по мартенситному механизму с получением фазы – игольчатого
строения, представляющий собой пересыщенный твёрдый раствор легирующими
элементами в Tiα – она обозначается α" .
Старение ведут при повышенных
температурах, чтобы избежать охрупчивание 480-550оС. Выделяется тонкодисперсная
α- фаза, повышающая прочность и твёрдость.
ХТО – Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают
азатированию. Азотирование при температуре 850 – 950оС в течение 10 – 50 час.
Толщина обогащённого азотом α – твёрдого раствора, равна 0,1 – 0,15 мм. Для
устранения хрупкого нитридного слоя (0,08 мм) и уменьшения хрупкости азотированного
слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг при Т = 800- 900оС.
1.
2.
3.
4.
Промышленные титановые сплавы.
Деформируемые титановые сплавы.
Литейные титановые сплавы.
По механическим свойствам – нормальной прочности и высокопрочны,
жаропрочные, повышенной пластичности.
По структуре – упрочняемые ТО и неупрочняемые ТО.
Деформируемые титановые сплавы
ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6, ВТ14,
ВТ15, ВТ16, ВТ22 ( ВТ, ОТ и цифры – различный химсостав, структура и свойства).
Наибольшее
распространение
в
промышленности
получил
сплав
ВТ15
(высоколегированный). Сплав выпускается виде листов, полос, прутков, поковок и
рекомендуется для длительной работы при температуре до 3500С. Недостатки –
чувствительность к примесям кислорода и углерода, которые вызывают снижение
пластичности и вязкости, понижая пластичность сварных швов и низкая термическая
стабильность.
Литейные титановые сплавы - для фасонного литья применяют сплавы,
аналогичные по химическому составу некоторым деформируемым ВТ5Л, ВТ3-1Л,
ВТ14Л, а также специальные литейные сплавы. Сплавы имеют хорошие литейные
свойства. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую
жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Они обладают малой склонностью к
образованию горячих трещин и небольшой линейной усадкой (1%). Недостатки –
большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии с
формовочными материалами. Поэтому их плавку и разливку ведут в вакууме и в среде
нейтральных газов.
Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий – металл серого цвета, относится к числу редких металлов, обладающий
полиморфизмом. Низкотемпературная модификация до 1250оС Веα ГПУ решётка и
высокотемпературная модификация (1250-1284оС) Веβ ОЦК решётка. Содержания в
земной коре бериллия небольшое – 0,0005%.
Свойства – высокие удельные прочность и жёсткость, большая теплоёмкость,
обладает хорошими теплопроводностью и электропроводностью, демпфирующей
способностью и другими ценными свойствами. По удельной прочности и жёсткости
бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе лёгких металлов Mg,
Al, Ti, а по удельной жёсткости и металлы, обладающие более высоким модулем
упругости (W, Mo). К тому же высокий модуль упругости бериллия мало изменяется при
увеличении температуры до 450оС. Это один из лучших материалов для деталей
конструкций, где особо важны собственная масса конструкции, жёсткость её силовых
элементов. Самолёт, изготовленный на 80% из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из
алюминия. При этом на 40% увеличивается дальность полёта и значительно
повышается грузоподъёмность самолёта.
Высокий модуль упругости Е при малой плотности ρ обеспечивает бериллию
стойкость к резонансным колебаниям, хорошее сопротивление к усталостным
разрушениям, большую скорость распространения звука (в 2,5 раза больше, чем у стали.
Соответственно применение – двигателестроении, акустическая техника).
Сочетание высокой удельной жёсткости
E/ρg, размерной стабильности,
теплопроводности, а также близкий к стали температурный коэффициент линейного
расширения делает бериллий незаменимым материалом для ответственных деталей
высокоточных приборов (инерциальных систем навигации для ракет, самолётов,
подводных лодок).
Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии
производства, размера зерна и наличия текстуры.
Бериллиевые сплавы
Основные трудности при создании бериллиевых сплавов вытекают из его
недостатков: большой хрупкости и высокой стоимости.
Наибольшее распространение получили сплавы Al – Be (~ 20-40% Al).
Механические свойства: σ = 620МПа; σ0,2 = 510МПа; δ = 3%; Е= 260ГПа.
При содержании в сплаве более 70% Ве резко ухудшаются пластичность и
практически не меняется прочность. Добавки 5% Mg к сплаву с низким содержанием
бериллия (30%) увеличивает предел прочности от 200 до 400 МПа, относительное
удлинение – от 18 до 25%, модуль нормальной упругости до 150 – 300 ГПа.
Слитки подвергают обработке давлением. Сплав поставляют в виде
деформированного или отожженного полуфабриката (Тотж = 350 – 400оС). Сплав хорошо
сваривается и рекомендуется для сварных конструкций.
Композиционные материалы
(КМ)
Общая характеристика и классификация.
Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят
сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге
компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей.
Основой композиционного материала матрица служат металлы или сплавы
(композиционные материалы на металлической основе), а также полимеры, углеродные и
керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе).
Матрица связывает композицию, придаёт ей форму. От свойств матрицы в
значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных
материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая
температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей
среды, плотность и удельная прочность.
Композиционные материалы бывают:
1. Полиматричные – с комбинированными матрицами и с
наполнителем (армирующим компонентом).
2. Полиармированные – с многими наполнителями и одной матрицей.
одним
По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы:
1. Одноосным армированием.
2. Двухосным армированием.
3. Трёхосным армированием.
Наполнители
(армирующие
компоненты)
в
дисперсионно-упрочнённых
композиционных материалах изготовляют из дисперсионных частиц тугоплавких фаз:
оксидов, нитридов, боридов, карбидов ( Al2O3, SiO2, BN, SiC), а волокнистоупрочнённых материалов изготовляют из волокон или нитевидные кристаллы чистых
элементов и тугоплавких соединений (В, С, Al2O3, SiC), а также проволока из металлов и
сплавов (Мо, W, Ве, высокопрочная сталь и др.).
Композиционные материалы на неметаллической основе
Преимущества : хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев
более высокие удельные прочность и жёсткость, высокая коррозионная стойкость,
хорошие теплозащитные и амортизационные характеристики, антифрикционные и
фрикционные свойства и др.
Недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря
прочности при повышении температуры выше 100 – 200оС, малая электрическая
проводимость, отсутствие способности к сварке.
Среди неметаллических композиционных материалов наибольшее распространение
получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолоформальдегидной и
полиимидной.
В качестве наполнителей (армирующего материала) используют
высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические
волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.
Группы композиционных материалов, армированные однотипными волокнами,
имеют специальные названия, данные им по названию волокна.
С углеродными волокнами – углеволокнитами.
С борными – бороволокнитами.
Со стеклянными – стекловолокнитами.
С органическими – органоволокнитами.
Композиционные материалы на металлической основе.
Преимуществом КМ на металлической основе являются более высокие значения:
предела прочности,
модуля упругости,
прочности при сжатии и при изгибе,
пластичность, вязкость разрушения, сохраняя эти характеристики до более высоких
температур, чем КМ на неметаллической основе. Они более влагостойки, негорючи,
обладают электрической проводимостью.
Наиболее перспективными материалами для матриц металлических КМ является
металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti), и сплавы на их основе, а
также Ni – широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента
жаропрочных сплавов.
Примеры: 1. КМ на никелевой основе армированный вольфрамовой проволокой
повышает рабочие температуры этих материалов выше 1000оС.
2. КМ на алюминиевой основе армированный стальной проволокой по
основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные алюминиевые сплавы
и выходит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов.
Применение КМ – в авиации, в ракетной и космической технике, где особенно
большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении
прочности и жёсткости. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и
жёсткости их используют при изготовлении, например, горизонтальных стабилизаторов
и закрылков самолётов, лопастей винтов и контейнеров вертолётов, корпусов и камер
сгорания реактивных двигателей и др. Использование КМ в конструкциях летательных
аппаратов уменьшило их массу на 30 – 40%, увеличило полезную нагрузку без снижения
скорости и дальности полёта.
В настоящее время КМ применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и
сопловые лопатки турбин), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов,
детали двигателей), химической промышленности (автоклавы, цистерны, ёмкости),
судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.
Особые свойства КМ позволяют использовать их в качестве электроизолиционных
материалов (органоволокниты),
радиопрозрачных обтекателей (стекловолокниты),
подшипников скольжения (карбоволокниты) и других деталей.
Материалы, устойчивые
к воздействию температуры и рабочей среде
Коррозионно-стойкие материалы
Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических
материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с
окружающей средой. Коррозионо-стойкими называют металлы и сплавы, которые
способны сопротивляться коррозионному воздействию среды, т.е. процесс коррозии в них
развивается с малой скоростью.
Скорость равномерной коррозии оценивают удельной потерей массы в единицу
времени (мг/м2х с) или уменьшением размера за определённый период времени (мкм/год).
При местной коррозии степень коррозионного разрушения оценивают по интенсивности
изменения физико-механических свойств.
Отмечают два вида коррозии:
1. Электрохимическую.
2. Химическую.
Электрохимическая коррозия. Она развивается в жидких электролитах: влажных
атмосфере и почве; морской и речной воде; водных растворах солей, щелочей и кислот.
При электрохимической коррозии устанавливается коррозионный ток и происходит
растворение металла вследствие электрохимического взаимодействия с электролитом.
Коррозионный ток, как результат перемещения электронов в металле и ионов в
электролите (на аноде идёт в направлении ионизации металла, а на катоде – в направлении
восстановления Н+ или О2). Под влиянием этого тока на аноде и катоде устанавливается
электродные потенциалы, соответственно VА и VК.
Значение коррозионного тока I, который устанавливается в коррозионном элементе
и определяет скорость коррозии, выражается формулой:
I = (VК - VА) / (R + РА + РК ),
где R – омическое сопротивление (оно, как правило, мало т.к. металлы и электролит
обладают высокой электрической проводимостью);
РА и РК – соответственно поляризуемость на аноде и катоде и чем эти значения
выше, тем выше омическое сопротивление R.
На коррозионную стойкость металлов оказывают влияние плёнки продуктов
коррозии, образующиеся на корродируемой поверхности. Их защитные свойства
проявляются в увеличении омического сопротивления R и поляризуемости РА и РК.
По такому механизму уменьшения коррозионного тока I, а следовательно и скорости
коррозии получили названия коррозионно-стойкие пассивирующиеся металлы.
Коррозионная стойкость будет тем выше, чем меньше разница VК - VА и значение I
падает в конкретных условиях коррозии и металлы становятся достаточно коррозионностойкие. По такому механизму уменьшения коррозионного тока I, а следовательно и
скорости коррозии получили названия коррозионно-стойкие непассивирующиеся
металлы.
Пассивирующие металлы имеют коррозионную стойкость в нейтральных и кислых
окисляющих средах, а также в щелочах (за исключением Аl).
Непассивирующие металлы стойки в нейтральных и щелочных средах, а в
особенности окисляющих, нестойки.
Металлы белого цвета Zn, Sn, Pb обладают коррозионной стойкостью в нейтральных
средах и неокисляющих кислотах.
В зависимости от условий, в которых идёт процесс коррозии, электрохимическую
коррозию называют:
1. Атмосферной.
2. Морской.
3. Почвенной.
4. Кислотной.
5. Щелочной.
По характеру разрушения: равномерную и местную.
Кроме того, для различных видов коррозионного разрушения используют
следующие наименования:
1. Контактная коррозия – усиленное коррозионное разрушение более
электроотрицательного металла в контакте с более электроположительным.
2. Кавитационная коррозия – коррозионное разрушение в результате
электрохимического и ударного воздействия электролита при его движении с
большой скоростью.
3. Межкристаллитная коррозия – хрупкое коррозионное разрушение по
границам кристаллов, возникающее в результате структурных превращений в
эксплуатации.
4. Точечная коррозия – местный вид коррозионного разрушения в
электрохимически неоднородной коррозионной среде.
5. Коррозионная выносливость – коррозионное разрушение под влиянием
циклических нагрузок и электрохимического воздействия среды. Предел
выносливости металлов в коррозионной среде уменьшается, так как под
влиянием напряжений растяжения в корне трещины возникает активный анод.
Дальнейший рост трещины происходит от внешней нагрузки, а также
вследствие электрохимического растворения металла в корне трещины.
6. Коррозионное
растрескивание
–
коррозионное
разрушение
от
электрохимического воздействия среды и напряжений растяжения,
возникающих при механической обработке металла либо в результате
наводороживания при обработке и эксплуатации.
Коррозионно-стойкие непассивирующиеся металлы. Au, Pt, Ag имеют
коррозионную стойкость во всех средах, кроме некоторых концентрированных
окисляющих кислотах. Cu, Sn, Pb используют во влажной атмосфере, морской воде и
многих органических кислотах.
Латуни – коррозионно-стойки при равномерной
коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере (особенно
при наличии сернистых газов), поэтому после их обработки давлением необходим отпуск
для устранения внутренних напряжений.
Бронзы и латуни не подвержены
кавитационной коррозии, разрушающей подводную часть быстроходных речных и
морских судов; сохраняют высокий предел выносливости в речной и морской воде.
Коррозионно-стойкие пассивирующиеся металлы. Пассивное состояние
связывают с образованием на поверхности защитных плёнок. Наибольшей склонностью к
самопассивированию на воздухе обладают Ti, Al, Cr .
Ti – в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает
только золоту и платине. Он обладает коррозионной стойкостью в морской воде в
условиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию.
Al – высока коррозионная стойкость во влажной атмосфере, окислительных и
органических кислотах. Однако в щелочах он корродирует с большой скоростью, а
морской воде, кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию. Алюминий и его
сплавы чувствительны к контактной коррозии с металлами Fe, Ni, Cu. Для защиты
алюминия стальные детали (болты) покрывают кадмием или цинком.
При объёмном и поверхностном легировании Cr > 12,5% сталь становится
пассивной; коррозионный ток и скорость коррозии резко снижаются.
При содержании
Cr > 17% низкоуглеродистые стали приобретают однофазную ферритную структуру. Это
увеличивает коррозионную стойкость, но исключает возможность её упрочнения
термической обработкой.
Хромистые стали 12Х13, 20Х13 коррозионно-стойки при температуре не
выше 30оС во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, в азотной и
многих органических кислотах. В морской воде они подвержены коррозионному
растрескиванию. Они хорошо свариваются, в отожжённом состоянии пластичны, имеют
повышенную ударную вязкость и могут подвергаться холодной обработке давлением.
Стали 30Х13, 40Х13 подвергаются только горячей обработке давлением. При
сварке эти стали могут давать трещины.
Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали аустенитного класса –
используют в тех же средах, что и хромистые стали, но и при нагреве.
Стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т не склонны к межкристаллитной
коррозии. Такие стали называют стабилизированными.
Сталь 17Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии, поэтому после закалки её
нельзя нагревать выше 400оС, в частности, нельзя сваривать. Эту сталь поставляют в
закалённом или наклёпанном состоянии. σ = 1000 – 1200 МПа.
Более дешёвыми являются коррозионно-стойкие стали, в которых дефицитный
никель частично или полностью заменён марганцем и азотом
10Х14Г14Н4Т,
12Х17Г9ФН4.
Коррозионно-стойкие покрытия
1. Металлические покрытия:
- катодные покрытия;
- анодные покрытия;
Катодные экранируют анодные участки металла и повышают электродный
потенциал поверхности. Они долговечны, но не выносят механических повреждений.
Лужёную сталь оловом применяют в пищевой промышленности, а покрытие свинцом – в
химической промышленности.
Анодные
изготовляют из более отрицательного металла. Разрушаясь он
предохраняет металл от коррозии. При механических повреждениях такое покрытие
выполняет роль дополнительного более электроотрицательного анода, который забирает
большую долю коррозионного тока и тем самым защищает основной анод. Анодные
покрытия применяют при атмосферной и морской коррозии. Например, анодными для
железа и углеродистых сталей являются покрытия цинком или кадмием.
2. Неметаллические покрытия.
Это диэлектрики или полупроводники (лаки, фторопласты, эмали и т.д.).
Недостатки: легко отслаиваются, хрупки, отслаиваются относительно при небольших
нагрузках.
В некоторых случаях предпочитают изготовлять детали и элементы целиком из
полимеров и пластмасс, что обеспечивает конструкции долговечность в эксплуатации.
Жаростойкие материалы.
Конструкционные металлические материалы в процессе обработки и эксплуатации
при нагреве в коррозионно-активных средах подвергаются химической коррозии и
разрушению.
Химическая коррозия развивается в сухих газах или жидких неэлектролитах
(сухой воздух, углекислый газ, сухой водяной пар и чистый кислород).
При химической коррозии поверхность металла окисляется.
Способность
металла сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах
называют жаростойкостью.
Окисление включает несколько последовательно идущих этапов: поверхностные
атомы металла окисляются – теряют электроны;
атомы кислорода
восстанавливаются – захватывают электроны. Процесс окисления заканчивается с
образованием на поверхности кристаллических продуктов химической реакции, которые
затрудняют дальнейшее окисление, оказывая тем самым защитное действие.
Жаростойкость одного и того же металла зависит от многих факторов:
температуры, состав газовой среды, скорость её движения, химического состава,
структуры, чистоты обработки поверхности. Полированные поверхности окислятся
медленнее.
Жаростойкие сплавы.
Основным требованием ко всем элементам при
жаростойком легировании является большее химическое сродство к кислороду, нежели
сродство основного металла. Только в этом случае легирующий элемент может влиять на
жаростойкость. Высокая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов связана с
образованием сложных двойных, тройных оксидов которые оказывают сильное защитное
действие.
Алюминиевые промышленные сплав
жаростойкостью, как и чистый алюминий.
практически
обладают
такой
же
Магниевые сплавы легированные бериллием, марганцем, цинком и алюминием
более жаростойки, чем магний.
Медные промышленные сплавы – латуни и бронзы – выше жаростойкость, чем у
меди. А легированные бериллием, марганцем, алюминием отличаются высокой
жаростойкостью.
Титановые сплавы поглощают более активно кислород и тем самым обладают
низкой жаростойкостью. Повысить её удаётся лишь применением жаростойких покрытий.
Жаростойкость железа и стали
можно повысить легированием хромом,
алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объёмном и поверхностном
легировании железа и стали получил хром, содержание которого доходит до 30%.
Стали 08Х17Т и 15Х25Т ферритного класса жаростойки, но нежаропрочны.
Стали 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 аустенитного класса не только жаростойки, но и
жаропрочны.
Жаростойкие стали Х13Ю4 и Х25Ю5Т, легированные хромом и алюминием, так
же как и сплав Х20Н80, используют как материалы с повышенным электрическим
сопротивлением. Применение: проволока – электронагреватели печей, листы – подовые
плиты, сортовой прокат – детали вентиляторов, конвейеров печей и т.д.
Жаропрочные сплавы.
Жаропрочностью
называется способность материала длительное время
сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.
Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры деталей
превышают 0,3 Тпл.
Критерии жаропрочности материалов.
Рабочая температура; длительность
работы под нагрузкой; величина напряжений.
При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала
определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы
ползучести и релаксации напряжений.
Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации
под действием напряжений, меньших предела текучести. Аналогично влияет повышение
напряжения при неизменной температуре испытания.
Предел текучести, определяемый при кратковременных испытаниях, не может
быть критерием жаропрочности, так как он не учитывает поведение материала при
длительном нагружении.
Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной
прочности.
Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал
деформируется на определённую величину за определённое время при заданной
σ
550 = 100МПа означает, что
температуре.
Например:
под действием
1/100000
о
напряжения 100МПа за 100000 час при температуре 550 С в материале появится
пластическая деформация 1%.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает
разрушение материала при заданной температуре за определённое время. В обозначении
предела длительной прочности указывают температуру и время до разрушения.
σ
600 = 130МПа означает, что при температуре 600оС материал выдержит
Например:
10000
действие напряжения 130МПа в течение 10000 час.
Предел длительной прочности всегда меньше предела прочности, определяемого
при кратковременных испытаниях при той же температуре.
Когда между перемещением дислокаций, зернограничным
скольжением и
диффузионным переносом нет соответствия, на границах зёрен появляются поры и
быстро наступает разрушение.
Для обеспечения жаропрочности требуется ограничить подвижность дислокаций
и замедлить диффузию. Это достигается повышением прочности межатомных связей,
созданием препятствий для перемещения дислокаций внутри зёрен и на их границах,
увеличением размеров зёрен.
Основной путь повышения жаропрочности – создание в материалах
крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих
фаз внутри зёрен и на их границах. Это получается при помощи закалки и отпуска, а во
многих жаропрочных сплавах – после закалки и старения. Для получения оптимальной
структуры в жаропрочных сталях и сплавах используют комплексное легирование, и по
химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.
Дополнительные меры повышения жаропрочности:
1. термомеханическая обработка;
2. увеличение прочности межатомной связи в сталях, когда благодаря
легированию ОЦК решётка заменяется ГЦК решёткой;
3. создание анизотропной структуры;
Основные группы жаропрочных материалов
Перлитные, мартенситные, аустенитные жаропрочные стали используют при
температуре 450 – 700оС и по масштабам применения занимают ведущее место. Ниже
450оС вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять
их жаропрочными сталями.
Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния, титана легче сталей, однако они
менее жаропрочны и используют при следующих температурах:
1. Сплавы алюминия – до 500 – 550оС;
2. Сплавы магния – до 300 – 350оС;
3. Сплавы титана – до 500 – 600оС;
Указанные сплавы, несмотря на более высокую стоимость, применяют там, где из-за
повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы
этих металлов и нельзя применить стали из-за более высокой плотности.
Сплавы на основе никеля или кобальта жаропрочнее сталей. Сплавы на основе
никеля применяют при температурах 700 – 1000оС, а кобальтовые сплавы не получили
широкого применения из-за дефицитности.
Материалы высокой жаропрочности, применимые при температуре выше 1000оС, это тугоплавкие металлы и их сплавы, керамика на основе SiC и Si3N4, графит.
Перлитные стали
12Х1МФ,
25Х2М1Ф
эти стали предназначены для
длительной эксплуатации при температурах 450 – 580оС и используются главным образом
в котлостроении. (104 – 105 час с допустимой деформацией 1%). Т.О. – нормализация с
Т = 1000оС и отпуск при Т = 650 – 750оС в течение 2 – 3 час. Основное требование –
стабильность структуры и свойств, так как изготовленные из них трубы и другие части
теплоэнергетических установок эксплуатируются годами. Перлитные стали пластичны в
холодном состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются,
невысокая стоимость.
Мартенситные стали
15Х5М,
40Х10С2М – сильхромы,
15Х11МФ,
11Х11Н2В2МФ эти стали предназначены для изделий, работающих при температурах
450 – 600оС, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в
атмосфере пара или топочных газов. Благодаря высокому содержанию легирующих
элементов стали глубоко прокаливаются даже при нормализации (до 120 – 200 мм) и
поэтому более пригодны для деталей крупных сечений, чем перлитные стали.
Т.О. – закалка или нормализация с температур 950 – 1100оС (для растворения
карбидов) и отпуск при Т = 600 – 740оС. Применение - детали паровых турбин,
клапанов двигателей, а также трубы и крепёжные детали моторов. Сильхромы можно
применять до рабочих температур 600 – 650оС. Технологические свойства сильхромов
хуже, чем у перлитных сталей. Особенно затруднена сварка, требуется подогрев перед
сваркой и последующая термическая обработка.
Аустенитные стали 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р эти стали
по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные и используются при
температурах выше 600оС. Аустенитные стали отличаются большой пластичностью,
хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее
обрабатываются давлением и резанием.
Т.О. – закалка с температур 1100 – 11500С и старение при температурах 700 –
о
750 С в течение 10 – 20 час.
Аустенитные стали охрупчиваются при эксплуатации из-за выделения
избыточных фаз по границам зёрен и особенно после образования хрупкой σ- фазы в
интервале температур 600 – 750оС, особенно в сталях с повышенным содержанием
хрома и молибдена. Для растворения образовавшейся σ- фазы проводят дополнительную
термическую обработку после некоторого срока службы детали и, тем самым,
устраняют охрупчивание и восстанавливают первоначальные свойства.
Жаропрочные никелевые сплавы
ХН77ТЮР,
ХН55ВМТКЮ углерода в
этих сплавах 0,1 – 0,15%.
Т.О. – нормализация с температур 1150 – 1250оС для получения однородного
раствора и старение для возникновения γ' – фазы в объёме матрицы.
Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой
прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности:
ответственные детали
современных газотурбинных двигателей, для изготовления штампов и матриц горячего
деформирования металлов до рабочих температур 1000оС.
Жаропрочные никелевые сплавы
с трудом подвергаются
горячему
деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, эти сплавы имеют низкую
теплопроводность и значительное тепловое расширение.
Тугоплавкие металлы и сплавы включают обычно металлы, у которых
температура плавления превышает 1700оС. Однако при высоких температурах все
важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Эти
металлы трудно обрабатываются резанием, горячей обработкой давлением.
Сплавы на основе ванадия и хрома – наименее жаропрочны, до 1000оС.
Сплавы на основе ниобия работоспособны до 1300оС.
Сплавы на основе молибдена работоспособны до 1400оС.
Сплавы на основе тантала работоспособны до 2000оС.
Сплавы на основе вольфрама работоспособны до 2200оС.
При температурах до 1900 – 2000оС многие сплавы на основе тугоплавких
металлов более жаропрочны, чем вольфрам. Выше температуры 2000 – 2500оС
нелегированный вольфрам является самым жаропрочным металлом.
Неметаллические жаропрочные материалы . Графит и специальная керамика –
наиболее важные неметаллические материалы, пригодные для службы при температурах
выше 1000оС.
Графит – один из перспективных материалов высокой жаропрочности.
Уникальной особенностью графита является увеличения модуля упругости и прочности
при нагреве. До Т = 2200 – 2400оС прочность графита повышается максимально на 60%.
При нагреве графит мало расширяется, хорошо проводит теплоту и поэтому устойчив
против тепловых ударов. Ползучесть у графита проявляется при Т = 1700оС и
характеризуется небольшой скоростью. Легко прессуется в горячем состоянии и хорошо
обрабатывается резанием. Недостатки: графит легко окисляется, уже при Т = 520 560оС потеря массы составляет 1% за 24 час, поэтому поверхность графитовых изделий
защищают покрытиями.
Керамические материалы
на основе
SiС,
Si3N4 и системы Si-Al-O-N
являются лёгкими, прочными и износостойкими веществами. Они способны работать при
Т = 1500 – 1800оС, стойки против коррозии и эрозии, не боятся перегрева и не нуждаются
в принудительном охлаждении. Керамика изготовляется из недефицитных материалов.
Применение: в двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней,
головок блока цилиндров и других теплонапряжённых деталей.
Недостатки: хрупкость, сложность получения плотного беспористого материала
и трудности изготовления деталей.
Хладостойкие материалы
Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при
температурах от 0оС до -269оС (273оК – 4оК).
Воздействие низких температур подвергаются стальные конструкции (полотно
железнодорожных дорог, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в
северных районах станы, охлаждаемые до температур климатического холода ( - 60оС);
обшивка самолётов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые от 0оС до
температуры жидкого кислорода ( -183оС); узлы и трубопроводы холодильной и
криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки
сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температуры жидкого гелия ( -269оС).
Критерии хладостойких материалов:
важнейшее требование, определяющее
пригодность материала для низкотемпературной службы, - отсутствие хладноломкости.
Хладноломкость – свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при
понижении температуры.
Хладноломкость материалов оценивается (критерии хладостойкости):
1. Температурным порогом хладноломкости Т50.
2. Температурой, при которой ударная вязкость должна быть не менее
0,3МД/м2 ( ТКСU=0,3).
Кроме критериев хладостойкости, основанием для выбора материала служат:
1. Пределы прочности и текучести (σв, σ0,2 ).
2. Физические и технологические свойства.
3. Совместимость с окружающей средой.
4. Стоимость материала.
Из физических свойств материала наиболее важны – тепловое расширение,
теплопроводность, теплоёмкость.
Чем меньше теплоёмкость и больше
теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее
выходит на рабочий режим.
Технологические свойства – свариваемость и пластичность. Сварку широко
применяют в производстве конструкций и герметичной криогенной аппаратуры.
Пластичность необходима для изготовления тонких листов и тонкостенных элементов,
менее склонных к хрупкому разрушению, чем массивные детали.
Совместимость с окружающей средой – взаимодействие материала с кислородом и
водородом. В контакте с кислородом возможно воспламенение материалов (титана,
алюминия и их сплавов). Водород растворяется во многих металлах и вызывает
охрупчивание сталей и сплавов на основе титана.
Основные группы хладостойких материалов.
1. Хладостойкие стали. Основное применение для работы при температуре
климатического холода. Стали обыкновенного качества, порог хладноломкости находится
в пределах от 0 до -20оС. Применяют для разнообразных изделий, включая сосуды,
работающие под давлением.
Эффективными мерами снижения порога хладноломкости Т50 и повышения
надёжности работы являются:
 Уменьшения содержания углерода;
 Создание мелкозернистой структуры;
 Понижение содержания вредных примесей;
 Легирование никелем Ni; (стали с никелем 12Х2Н4МА, 18Х2Н4МА
после термического улучшения применяют до температуры -196оС);
 Термическое улучшение.
При использовании сталей при Т < 0оС необходимо отработка конструкции
деталей:
 Устранения опасных концентраторов;
 Использования тонкостенных элементов, в которых облегчены
температурные деформации.
Для крупных конструкций используют свариваемые низколегированные стали
повышенной прочности 09Г2С,
14Г2АФ и др. Кроме низкоуглеродистых сталей
используют среднеуглеродистые улучшаемые и пружинные стали: Сталь 45, 40Х, 65Г,
60С2А. Минимальная рабочая температура для них установлена -50оС.
2. Никелевые стали ОН6, ОН9 (Ni = 6 и 9% соответственно) содержат не более
0,05%С, их применяют в улучшенном состоянии: З + ВО, Т = 830 – 900оС, Тот = 600оС.
Вязкие, пластичные, хорошо свариваются. Они прочнее аустенитных сталей, лучше
проводят теплоту и почти в двое дешевле. Используют – для крупных конструкций,
включая танкеры для перевозки сжиженных газов. Недостатки посредственная стойкость
против атмосферной коррозии.
3.
Аустенитные стали
с ГЦК решёткой
12Х18Н10Т,
03Х13АГ19,
о
10Х11Н23Т3МР, 10Х11Н20Т3Р пластичны и вязки ниже Т = -196 С. Стабильность
аустенита обеспечивают повышением содержания аустенитообразующих элементов Ni,
N, Mn свыше 15%. Недостаток – низкий предел текучести.
4. Инвар
36Н (36% Ni, остальное Fe) отличается малым тепловым
расширением и стабильной ГЦК структурой.
Применение инвара ограничивается
недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.
5. Мартенситно-стареющие стали 03Х9К14Н6М3Т используют для деталей
холодильных машин (валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и
высокая твёрдость. После улучшения граничная температура надёжной работы до -253оС.
6. Алюминий и его сплавы не имеют порога хладноломкости, остаются вязкими
при температурах от -254оС до -269оС. При охлаждении у алюминиевых сплавов
повышается σв и σ0,2 , ударная вязкость монотонно падает, они менее чувствительны к
надрезам, чем при Т = 25оС. При низких температурах (от -253 до -269оС) чаще всего
используют:
 Термически неупрочняемые свариваемые сплавы АМц, АМг2, АМг5
 Для несвариваемых изделий – деформируемые термически упрочняемые
Д16, АК6, АК8, а также литейные сплавы АЛ2, АЛ9.
7. Титан и его сплавы не охрупчиваются при Т = от -196 до -269оС и из-за
большой удельной прочности используютя в космической технике. Широко применяют
технически чистый титан и его однофазные сплавы ВТ5-1, ОТ4. Пластичны, легко
свариваются и не требуется ТО сварных соединений.
Более прочные, но менее пластичные двухфазные сплавы ВТ3-1, ВТ6 ,
свариваются хуже, требуется отжиг сварных соединений.
8.
Медь и её сплавы (латуни, бронзы)
пластичны, не имеют порога
хладноломкости. Вязкость разрушения повышается при охлаждении. Применение: для
трубных конструкций, крепёжных деталей, сварных корпусов, работающих при
Т = -269оС. Недостатки: высокая стоимость, заменяются сплавами алюминия.
9.
Неметаллические хладостойкие материалы.
Пластмассы, наполненные
о
стеклянным волокном, фторопласт-4 (до -269 С), резины (до -70оС) – для подвижных
уплотнений.
Материалы с особыми магнитными свойствами.
1. Общие сведения о ферромагнетиках (физ. вещество, обладающее
самопроизвольной
намагниченностью
благодаря
ферримагнитной
упорядоченности в расположении его атомных магнитных моментов).
Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются.
Макроскопической характеристикой намагничивания материалов служит величина
намагниченности М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объёма.
Установлена связь намагниченности М с напряжённостью Н (А/м) внешнего
магнитного поля:
М = km Н,
где km – безразмерный коэффициент пропорциональности называют магнитной
восприимчивостью материала.
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы
подразделяют:
 Диамагнетики;
 Парамагнетики;
 Ферромагнетики;
Диамагнетики – материалы, которые намагничиваются противоположно
приложенному полю и ослабляют его, т.е. имеют отрицательную магнитную
восприимчивость (km < 0). К ним относятся инертные газы, непереходные металлы (Ве,
Рb, Сu, Аg и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (полимеры, стёкла),
сверхпроводники.
Парамагнетики – материалы, которые имеют km > 0 и слабо намагничиваются
внешним полем. К ним относятся металлы, атомы которых имеют нечётное число
валентных электронов (исключение составляют Cu, Ag, Au и др.) К, Na, Al и др.,
переходные металлы Мо, W, Ti, Pt и др. с недостроенными электронными оболочками
атомов.
Ферромагнетики
–
характеризуются
большим
значением
магнитной
восприимчивости (km >> 1), а также её нелинейной зависимостью от напряжённости
поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний имеют
чрейзвычайно большое значение km ~ 106. Их способность намагничиваться широко
используется в технике.
Надо помнить, что такие физические характеристики магнитных материалов, как
магнитная индукция, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила и т.д. зависят и от
химического состава и от вида термической обработки, так как являются структурно
чувствительными.
Легко намагничиваются химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные
сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть
минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную
протяжённость, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.
Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для
устранения которых в конце технологического процесса применяют термическую
обработку – отжиг.
2. Магнитно – мягкие материалы.
Магнитно – мягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (Н <
5х104 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (µнач.< 88 мГн/м и µmax <
300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивания.
Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек,
электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.
Магнитно – мягкие материалы подразделяют на:
 Низкочастотные мягкие материалы;
 Высокочастотные мягкие материалы.
Низкочастотные
на:
мягкие
материалы в свою
очередь
подразделяют
а) низкочастотные с высокой индукцией насыщения Вs (процесс намагничивания тел во
внешнем магнитном поле); б) низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью µ
(интенсивность роста индукции при увеличении намагничивающего поля).
К материалам с высокой индукцией (а), прежде всего относятся железо
(карбонильное, электролитическое, технически чистое), нелегированные и легированные
стали.
Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют
только в изделиях небольших размеров.
Нелегированные электротехнические стали, промышленность выпускает различного
сортамента, в том числе и тонкий лист. Маркируется нелегированная электротехническая
тонколистовая сталь цифрами. Например: 10895, 20864, где первая цифра указывает
способ изготовления (1 – горячекатаная сталь, 2 – холоднокатаная изотропная). Вторая
цифра 0 указывает на низкое содержания кремния, Si < 0,03%. Третья цифра определяет
основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, а именно: цифра
8
обозначает коэрцитивную силу Нс (напряжённость магнитного поля Нс, необходимая для
уменьшения остаточной намагниченности IR ферромагнетика до нуля), а её значение (в
А/м) показывают две последние цифры. ГОСТ 3836 – 83.
Для понимания: петля гистерезиса ферромагнетика.
Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле,
доведённое до +Нs, уменьшить до нуля, то индукция сохранит определенное значение Вr,
называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла уменьшает
индукцию В, и при напряжённости поля Нс индукция падает до нуля. Напряженность
магнитного поля, равной Нс, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от
+Нs до –Нs и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми,
определяет потери на гистерезис или перемагничивание.
Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса – важнейшие характеристики
ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и
области применения.
Легированная электротехническая листовая сталь маркируется по ГОСТ 21427 –
75. Например: 1411, 2411, 3411, где первая цифра в марке определяет вид проката и
структуру (1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная,
3 –
холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100].
Вторая цифра в марке указывает содержание Si (в %): 0 – содержание < 0,4; 1 – (0,40,8%); 2 – (св. 0,8-1,8%); 3 – (св. 1,8 -2,8%); 4 – (св.2,8-3,8%); 5 – (св. 3,8-4,8%). Третья
цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери. Четвёртая цифра – код
числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем меньше удельные
потери.
Надо помнить, что увеличения содержания кремния и уменьшение толщины листа
уменьшаются удельные потери. Но стали, с повышенным содержанием кремния, хрупки и
плохо прокатываются, что затрудняет получение тонколистового проката.
После технологических операций, необходимых для изготовления деталей
магнитопровода (резка, штамповка и др.), магнитные свойства сталей ухудшаются, т.е.
увеличивается коэрцитивная сила, а следовательно, и потери на гистерезис. Для
восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температур
фазового превращения (800-900оС) в среде, предохраняющей от окисления и
науглероживание. Если отжиг ведут в водороде, то это очищает сталь от вредных
примесей, и магнитные свойства улучшаются.
б) Материалы с высокой магнитной проницаемостью µ – это сплавы Fe – Ni
(пермаллой) и Fe – Al – Si (альсифер).
Сплавы пермаллой с содержанием 45-83% Ni характеризуются большой магнитной
проницаемостью, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях. Повышенное
удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni
позволяет использовать их в радиотехнике и телефонии.
Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает
технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых
при изготовлении сердечников.
Надо помнить, что магнитные свойства пермаллоев меняются под воздействием
даже слабых напряжений. При сжимающих напряжениях всего 5МПа магнитная
проницаемость уменьшается в 5 раз, а коэрцитивная сила возрастает в 2 раза. Поэтому
окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе
сборки необходимо избегать ударов, сильной затяжки или сдавливания обмоток.
Магнитные свойства холоднокатаных лент толщиной 0,1 мм из пермаллоев (Fe –Ni)
ГОСТ 10160-75. Например: 79НМ, 81НМА, 45Н, 50Н. Легированный хромом и
кремнием пермаллой (50НХС) увеличивают удельное электрическое сопротивление (ρ)
сплава почти в два раза. Это позволяет использовать его в тех же изделиях, что не
легированные пермаллои, но при несколько более высоких частотах.
Альсиферы – сплавы системы Fe-Al-Si не содержат дорогих или дефицитных
легирующих элементов. Практическому применению таких сплавов препятствуют их
высокие твёрдость и хрупкость, что делает их абсолютно не деформируемыми.
Альсиферы обладают хорошими литейными свойствами, поэтому их применяют для
изготовления фасонных тонкостенных отливок. Эти сплавы используют также для
получения тонких порошков при изготовлении магнитодиэлектриков.
Высокочастотные магнитно-мягкие материалы . При высоких частотах растут
тепловые потери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств ферромагнетика –
уменьшением магнитной проницаемости.
Одним из эффективных способов снижения тепловых потерь является применение
материалов с высоким электрическим сопротивлением – диэлектриков. К таким
материалам относятся ферриты, играющие важную роль в современной электронике.
Ферриты изготовляют спеканием оксидов (FeO х F2O3).
К недостаткам ферритов относят их большую чувствительность к остаточным
напряжениям. Они обладают всеми свойствами керамики: твёрдые, хрупкие, при
спекании дают большую усадку. Обрабатывать их можно только алмазным инструментом.
Свойства ферритов зависят от различных технологических факторов:
размер и
однородность порошков оксидов, удельные нагрузки при прессовании, температура
спекания, режим охлаждения и др.
Пример обозначения ферритов (Mn-Zn и Ni-Zn): 4000НМ, 1000НМ3, 1000НН,
100ВЧ, 30ВЧ2 – где на первом месте в марке стоит число, соответствующее µ
(относительной проницаемости). На втором – буквы, определяющие частотный диапазон:
Н – низкочастотные, ВЧ – высокочастотные. На третьем – буква, обозначающая
легирующий элемент: Н – никель-цинковый, М – марганцево-цинковый феррит. (Чем
выше магнитная проницаемость – тем больше ограничивает работу феррита на
высоких частотах, МГц ).
Обозначения ферритов для устройств, применяемых на сверхвысоких частотах
СВЧ.
1СЧ1, 3СЧ4, 30СЧ1 и т.д. Первая цифра – длина волны в сантиметрах, при
которой используется данный феррит. Вторая – разновидность.
Разновидность ферритов – ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ).
Такие ферриты используют в вычислительной технике (в марке буквы ВТ). Их маркируют
по значению коэрцитивной силы: цифра в марке – Нс в А/м. Например: 10ВТ, 56ВТ,
100ВТ, 180ВТ.
Магнитно-твёрдые материалы.
3.
Магнитно-твёрдые материалы используют для изготовления постоянных магнитов.
Они намагничиваются в сильных полях Н > 1000 кА/м. Важной характеристикой
магнитно-твёрдых материалов является максимальная удельная магнитная мощность
ωmax, которая в лучших материалах достигает значений 72,5 кД/м3.
Магнитно-твёрдые литые материалы. ГОСТ 17809-72
Ими являются сплавы Fe-Ni-Al на основе железа. Термообработка этих сплавов
включает:
закалка с 1200-1800оС (в зависимости от состава) и охлаждение с
определенной критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающей наибольшую
дисперсность выделяемой фазы. При последующем отпуске (590-650оС) происходит
дораспад фаз и дополнительное улучшение магнитных свойств.
Сплавы Fe-Ni-Al содержат 12-35%%Ni,
6,5-16% Al.
Применяют сплавы,
дополнительно легированные Co, Cu, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а
медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава.
Маркируют эти сплавы так же, как и стали.
Сплав
ωmax, кД/м3
ЮНД4
3,6
ЮНД8
5,1
ЮНДК18
9,7
ЮНДК35Т5Б
16
ЮНДК35Т5БА
36
Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке
проводить в сильном магнитном поле (Н > 120 кА/м).
Недостатки литых сплавов Fe-Ni-Al. Повышенная хрупкость и высокая твёрдость,
что исключает все виды обработки, кроме шлифования.
Порошковые магнитно-твёрдые материалы. ГОСТ 13596-68
Сплавы Fe-Ni-Al получают спеканием порошков металлов при 1300оС в атмосфере
аргона или иной защитной атмосфере. Для обеспечения высоких значений индукции
насыщения Вr и удельная магнитная мощность ωmax сплавы не должны быть пористыми.
Порошки используют мелкодисперсные и желательно неравноосные. Термообработка
такая же, как и у литых сплавов.
Такие сплавы используют для мелких и точных по размеру магнитов.
Сплав
ММК1
ММК6
ММК7
ММК11
ωmax, кД/м3
3
5
10,5
16
Цифра в марке сплавов является порядковым номером, буквы ММК обозначают:
магнит металлокерамический.
Магнитно-твёрдые ферриты также получают спеканием порошков оксидов Fе,
Ва, Со. По своим магнитным свойствам (ωmax и особенно Вr) они уступают литым
сплавам Fe-Ni-Al. Однако, будучи диэлектриками, они могут использоваться как
постоянные магниты в высокочастотных магнитных полях без тепловых потерь.
Например: маркировка и магнитные свойства бариевых (ГОСТ 24063-80) и
кобальтовых ферритов для изготовления магнитов.
Феррит
6БИ240
28БА190
10КА165
14КА135
Состав
ωmax, кД/м3
ВаО х 6Fе2О3
3
14
5
7,15
СоО х 6Fе2О3
Нс, кА/м
240
190
165
135
Цифра, стоящая в марке на первом месте, определяет значение
2ωmax; буква
указывает металл в оксиде; буквы И и А соответственно означают изотропный или
анизотропный феррит.
Промышленные анизотропные кобальтовые ферриты уступают по магнитным
свойствам бариевым ферритам. Но достоинство их – большая температурная
стабильность.
Магниты из РЗМ (редкоземельных металлов) ГОСТ 21559-76.
Их изготовляют из кристаллов промежуточных фаз РЗМ с кобальтом, состав
которых отвечает формулам RCо5 и R2Со17, где R – РЗМ. В их числе самарий Sm,
празеодим Рr, иттрий Y.
Например соединения: Sm2Cо17, SmCо5, PrCо5, YCо5.
Сплав
КС37
КС37А
КСП37
КСП37А
Состав, %
37Sm
63Со
37(Sm + Pr)
63Со
ωmax, кД/м3
55
65
65
72,5
Деформируемые магнитно-твёрдые сплавы.
Сплавы на основе пластичных металлов
наименования.
Сплав
Наименование
Состав, %
Хромко
45 Fe; 30 Сr; 25 Со
Викаллой
52 Со; 35 Fе; 13 V
Кунико
50 Сu; 21 Ni; 29 Со
Кунифе
60 Сu; 20 Ni; 20 Fе
Платинакс
78 Рt; 22Со
Fe, Co, Cu.
Марка
30ХК25
52К13Ф
ПлК78
Например:
марки и
ωmax, кД/м3
7,7
8,8
6,5
6,7
40
Сплавы подвергают обработке давлением, что позволяет использовать их как
магниты в виде тонких лент и проволоки. Хорошие магнитные свойства получают после
закалки и старения.
В процессе пластической деформации в хромко, кунифе и викаллое возможно
формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные
свойства. Сплав кобальта с платиной ( платинакс) характеризуется высоким значением
коэрцитивной силы Нс, его магнитной мощностью ωmax близка по значению к ωmax литых
сплавов Fe-Ni-Al. Единственный недостаток сплава ПлК78 (платинакса) – содержание
драгоценного металла, что ограничивает его применение.
Высокоуглеродистые стали (С > 1%) для изготовления магнитов ГОСТ 6862-71.
Хорошие магнитные свойства получаются после закалки и низкого отпуска.
Структура – мартенсит с мелкодисперсными неферромагнитными включениями
цементита.
Большим достоинством сталей для постоянных магнитов является их низкая
стоимость и технологичность в отношении горячей обработки давлением и резанием. В
связи с этим они успешно используются в магнитах больших размеров. Для увеличения
прокаливаемости сталь легируют хромом. Дополнительное легирование кобальтом и
молибденом улучшает магнитные свойства, однако магнитная мощность остаётся
невысокой. Стали склонны к магнитному и, в особенности, к структурному старению.
Сталь
ЕХ3
ЕХ5К5
ЕХ9К15М2
ωmax, кД/м3
1,2
1,6
2,4
В марках буква Е указывает, что сталь магнитно-твёрдая. Остальные буквы
обозначают легирующие элементы и его содержание в процентах.
Материалы с особыми тепловыми свойствами
1. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.
В промышленности от некоторых конструкционных материалов для деталей
приборов требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях
эксплуатации.
К этой группе материалов относят сплавы системы Fe – Ni. При больших
содержаниях никеля в сплавах образуется ряд твёрдых растворов с ГЦК решёткой.
Согласно правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения (α х
106, оС-1) твёрдых растворов в функции состава изменяется по непрерывной
криволинейной зависимости. В сплавах Fe – Ni эта зависимость более сложная, что даёт
возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного
расширения – инварные (лат. invariabilis неизменный) сплавы.
В инварных железоникелевых сплавах, содержащих 29-45% Ni, обнаружена
ферромагнитная аномалия коэффициента α. Минимальное значение коэффициента α в
интервале температур 0-100оС имеет сплав с 36%Ni. При более высоких температурах
этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.
Сплав 36Н, называемый инваром, - основной представитель сплавов с минимальным
температурным коэффициентом линейного расширения – α. Низкое значение
коэффициента α в области температур 20-25оС, а также хорошие механические,
технологические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как
конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство
размеров при изменении температуры в процессе эксплуатации.
Надо помнить, что значение коэффициента α в значительной степени зависят от
содержания примесей (особенно от углерода) и технологии термической обработки
сплава. Поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более
0,05%). Технология термической обработки, для достижения минимального значения
коэффициента α у инвара, состоит: закалка от 830оС, в процессе которой все примеси
переходят в твёрдый раствор; отпуск при 315оС в течение одного часа, что приводит к
выделению мелкодисперсных избыточных фаз; старение при 95оС в течение 48 часов,
что снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе
технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента α.
Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который
частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа 32НКД, называют суперинвар,
имеет ещё более низкое значение коэффициента α.
Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Необходимо
обеспечить сохранения спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в
условиях эксплуатации) и получения герметичного соединения.
Основной представитель этой группы – сплав 29НК, его называют ковар. Ковар
имеет такой же коэффициент α, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. Сплав
пластичен и хорошо обрабатывается давлением, поэтому он заменил менее пластичные и
нежаростойкие вольфрам и молибден в электровакуумном производстве.
Сплав 47НД, его называют платинит, относится к группе сплавов, имеющих такой
же коэффициент α, как платина и нетермостойкие «мягкие» стёкла. Платинит
используют для сварки и пайки с такими стёклами в электровакуумной промышленности.
Для пайки с керамикой используется сплав 33НК, являющейся аналогом ковара, но с
повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного
совпадения коэффициентов α, что упрощает технологию изготовления сплава.
В приборостроении в качестве терморегулятора используют биметаллические
пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента α. Для
этих целей используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента
α, и
сплав с 25%Ni, у которого коэффициент α очень большой. При нагреве пластинка
биметалла сильно искривляется и замыкает (либо размыкает) электрическую цепь.
2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости.
(Tg α = E = σ/δ) – модуль упругости
Сплавы Fe – Ni, помимо низких значений температурного коэффициента линейного
расширения (α) при некоторых концентрациях никеля, обладают ещё одним
замечательным свойством – малым коэффициентом модуля упругости (γ).
Во всех твёрдых телах, в том числе и металлах, модуль упругости при нагреве
уменьшается в связи с уменьшением энергии межатомных связей.
В некоторых сплавах Fe – Ni, называемых элинварными, наблюдается аномалия в
изменении модуля упругости при нагреве, который либо растёт, либо изменяется очень
незначительно.
Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и
пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов и пр.).
Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора
в условиях эксплуатации.
Для разъяснения : внешние растягивающие напряжения действуют на
ферромагнетик подобно магнитному полю, ориентируя магнитные векторы доменов
(лат. домен – владение, д. ферромагнитный – общим направлением магнитных моментов
всех атомов) и вызывая магнитострикцию (лат. натягивание, изменение формы и
размеров кристаллических тел при намагничивании), которую в этом случае называют
механострикцией.
В результате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних
напряжений будет складываться из упруго-механической δ0 и механострикционной δm
составляющих.
Е = σ/δ0 + δm ,
т.е. значения модуля упругости занижены вследствие дополнительной деформации
ферромагнитной природы.
Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для
краткости термоупругим коэффициентом γ, определяет характер изменения модуля
упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь
знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растёт, а так же знак минус,
когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:
Еt = E20 (1 + γt),
где Е20 – модуль упругости при 20оС.
В элинварных сплавах термоупругий коэффициент
значение и может быть равным нулю.
γ
всегда имеет положительное
Сплавы с содержанием 29 и 45% Ni имеют нулевое значение коэффициента γ.
Однако незначительное отклонения концентрации никеля, что неизбежно в
металлургическом процессе, резко изменяют значения γ. Поэтому сплавы Fe – Ni
дополнительно легируют хромом, который делает эту зависимость менее резкой и
позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение γ, близкое к нулю.
Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36% Ni и 12%Cr), названным
элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает
недостатками:
 Имеет низкие значения механических характеристик, которые нельзя
улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная
аустенитная структура.
 Сплав имеет невысокую температуру точки Кюри (~ 100оС), что
ограничивает рабочий интервал температур.
Впоследствии элинварные сплавы начали легировать титаном и алюминием, что
позволило упрочнять их термической обработкой, для получения хороших механических
свойств, повысили температуру точки Кюри, что расширило область их применения.
Кроме того, эти сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами.
Например: сплавы 43НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений
коэффициента γ подвергают термической обработке: закалке от 950оС, при которой
избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску – старению при
700оС в течение 4 часов.
Главное требование к этим маркам – жёсткое требование по химическому составу в
пределах марки сплава.
Материалы с особыми электрическими свойствами.
Материалы по электрическим свойствам подразделяют на три группы:
 Проводники;
 Полупроводники;
 Диэлектрики.
Различают эти материалы по:
 Величине удельного электрического сопротивления (Ом *м);
 Характеру зависимости материала от температуры;
 Типу проводимости.
Проводники – удельное электрическое сопротивление в пределах 10-8-10-5 Ом*м, с
ростом температуры увеличивается. Используется для проводников постоянного и
переменного тока, резисторов, нагревательных элементов, контактов и т.д.
Полупроводники – удельное электрическое сопротивление в пределах 10-5-108
Ом*м, с ростом температуры уменьшается.
Применяют для выпрямления, усиления
электрических сигналов, превращения различных видов энергии в электрическую и т.д.
Диэлектрики – удельное электрическое сопротивление в пределах 108-1016 Ом*м,
используют как изоляторы.
1. Материалы высокой электрической проводимости.
Влияние структуры и остаточных напряжений на электрические свойства
проводниковых материалов.
Из курса физики: электрическая проводимость твёрдых тел, в первую очередь
определяется электронным строением атомов. Плотность заполнения электронами
энергетических зон (валентная зона, зона запрещённых энергий, зона проводимости) и
их перекрытие определяют электрическую проводимость твёрдых тел.
Например, ширина запрещённой зоны определяет электрическую проводимость
полупроводников. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещённой зоны и изменяют
число электронов проводимости.
Деформация и остаточные напряжения, возникающие при технологической
обработке, создают искажения в кристаллической структуре (вакансии, дислокации,
блоки, границы), которые также повышают сопротивление вследствие дополнительного
рассеяние.
Влияние легирующих элементов на проводимость сплавов различно и определяется
видом образующихся фаз.
При образовании твёрдых растворов удельное электрическое сопротивление
сплавов при 20оС изменяется по нелинейной зависимости (правило Н.С.Курнакова).
Сплав приобретает максимальное значение электрического сопротивления в большинстве
случаев при концентрации элементов, равной 50 на 50 ат.%.
При образовании промежуточных фаз электрическое сопротивление резко
изменяется. В промежуточных фазах с ионным или ковалентным типом связи
проводимость возникает из-за дефектности структуры вследствие недостатка или избытка
атомов одного сорта. Промежуточные фазы с металлическим типом связи достаточно
электропроводны, а при упорядочении в расположение атомов при определённом
стехиометрическом составе возможно возникновение сверхпроводимости.
При образовании смесей (твёрдые растворы ограниченной растворимости,
эвтектические смеси) из перечисленных фаз электрическое сопротивление сплава по
правилу Н.С. Курнакова растёт по закону сложения. Подобные сплавы сохраняют
высокую электрическую проводимость чистых металлов, но по сравнению с химически
чистыми металлами имеют некоторые дополнительные преимущества:
 Более низкую температуру плавления;
 Лучшую жидкотекучесть (эвтектические сплавы);
 Более высокую твёрдость и износостойкость, если один из сплавляемых
металлов обладает таковыми, и т.д.
Таким образом, влияние легирующих элементов на электрическую проводимость
разнообразно, и это позволяет получать материалы, удовлетворяющие самым различным
требованиям электротехнической промышленности.
Влияние деформации и остаточных напряжений на электрическую проводимость
чистых металлов незначительно. В связи с этим, не ухудшая электрических свойств,
можно использовать пластическую деформацию и возникающий при этом наклёп для
повышения прочности проводниковых материалов.
В сплавах влияние деформаций и остаточных напряжений на электрическую
проводимость значительно сильнее. Наклёп, вызывая значительное упрочнение, очень
сильно (до 25%) снижает электрическую проводимость сплава. Таким образом,
упрочнение проводниковых сплавов наклёпом можно достичь только ценой потери
электрической проводимости.
Проводниковые материалы.
В зависимости от удельного электрического сопротивления и применения
проводниковые материалы подразделяют на следующие группы:





Металлы и сплавы высокой проводимости;
Припои;
Сверхпроводники;
Контактные материалы;
Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.
Металлы и сплавы высокой проводимости.
Требования. Кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое
сопротивление) эти материалы должны иметь:
достаточную прочность,
пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в
атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того,
металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединений
высокой надёжности и электрической проводимости.
Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe.
Электрические свойства металлов при 20оС.
Свойства
Удельное
электрическое
сопротивление,
Ag
Cu
Au
Al
Fe
Sn
Zn
W
0,006
0,017
0,022
0,028
0,098
0,120
0,059
0,055
0,004
0,004
0,004
0,004
0,006
0,004
0,004
0,005
ρ, мкОм*м
Температурный
коэфф. электр.
сопротивления,
αρ, оС-1
Медь – проводниковый материал. ГОСТ 859-78. Наиболее чистая бескислородная
медь М00б, М0б, М1.
Наиболее вредная примесь в меди – кислород. Он ухудшает проводимость, вызывает
растрескивание и понижает прочность. Медь указанных марок используют в виде проката:
проволок разных диаметров, шин, полос и прутков.
Прокат из меди М1 поставляется либо в отожжённом, либо в нагартованном
состоянии.
Отожжённая медь имеет более высокую проводимость и используется для
обмоточных проводов и кабельных изделий.
Нагартованная медь имеет большую прочность и используется для подвесных
токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.
Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используется латуни и
бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость,
чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.
Алюминий – высокой чистоты АД0ч, в котором общее содержание примесей
составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты АД000, АД00, АД0, в котором
примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике ГОСТ 4784-74.
Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он
значительно легче, больше распространён в природе. При замене медного провода
алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом
случае будет в 2 раза меньше.
Алюминий используют в отожжённом или нагартованном состоянии. Легирование
алюминия Mg и Si в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает
электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность
и коррозионную стойкость: σв = 350МПа при ρ = 0,032 мкОм * м.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на
поверхности оксидной плёнки Al2O3.
Но эта плёнка затрудняет пайку, требуются
специальные припои. Места контакта алюминиевого провода с медным покрывают лаком
для защиты от атмосферной коррозии.
Железо – значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет
большую прочность, что в некоторых случаях оправдывает его применение как
проводникового материала.
Используют низкоуглеродистые качественные стали (С < 0,15%), а также стали
обыкновенного качества. Эти стали идут на изготовление шин, трамвайных рельсов,
рельсов метро и железнодорожных дорог с электрической тягой. Сечение провода
определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.
Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при
передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет
уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход
дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи
повышенной частоты вследствие скин-эффекта ( анг. skin – кожа) распространяются по
наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку.
Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.
Биметаллический провод используют в линиях связи и электропередачи.
Изготовляют шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части
электрических аппаратов.
Припои. Сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости, припои должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление
контакта).
Различают припои двух типов:
 Для низкотемпературной пайки (Тпл. < 400оС)
 Для высокотемпературной пайки.
Требования к припоям:
 Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем металл,
подвергающий пайке;
 Он должен хорошо смачивать металл;
 Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя
должны быть равны.
Для низкотемпературной пайки применяют
оловянно-свинцовые и оловянноцинковые припои ГОСТ 21931-76.
Марки ПОС-61 (сплав эвтектического типа, 61%Sn и 39%Pb); ПОС-18, ПОС-30,
ПОС-40, ПОС-50.
ПОЦ-90 (90%Sn и 10%Zn); ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40.
Для высокотемпературной пайки применяют медно-цинковые и медно-фосфористые
припои ГОСТ 21737-78.
Марки ПМЦ-36 (цифра указывает содержание меди), ПМЦ-48, ПМЦ-54,
ПМФ7 (цифра указывает содержание фосфора). Можно пайку вести без флюса.
Припои, содержащие серебро (Ag), очень технологичны, так как обладают хорошей
растворимостью и смачиваемостью; пригодны для пайки любых металлов и сплавов,
обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое
переходное сопротивление.
Марки ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10 (цифра указывает содержание серебра).
Сверхпроводники.
Особую группу материалов высокой электрической
проводимости представляют сверхпроводники.
С понижением температуры электрическое сопротивление (ρ) всех металлов
монотонно падает. Есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при
критической температуре резко падает до нуля – материал становится
сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов.
Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением.
Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также в
сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы.
Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий
(Nb) имеет самую высокую критическую температуру перехода (9,17оК или -263,83оС).
Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким
содержанием ниобия: 65БТ, 35БТ (ГОСТ 10994-74). Цифры показывают содержание
Nb, остальное Ti, Zr.
Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой
мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов [гр. di дважды +
(электр)oд] – электронный прибор с двумя электродами – катодом и анодом.
Контактные материалы.
Электрические контакты подразделяются на разрывные,
скользящие
и
неподвижные.
Основное требование для всех контактов – малое переходное
электрическое сопротивление.
Разрывные контакты.
Эти контакты предназначены для периодического
замыкания и размыкания цепи и работают в наиболее трудных условиях. В процессе
работы разрывных контактов возникает искра или электрическая дуга, что вызывает
коррозию и электроэрозионный износ.
В результате происходит окисление контакта. Это повышает переходное
электрическое сопротивление, вызывает разогрев и сваривание (или прилипание)
контакта.
Требования:
материал для разрывных контактов должен иметь не большое
переходное электрическое сопротивление, но и хорошее сопротивление коррозии и
электроэрозионному изнашиванию.
В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на
слабонагруженные и высоконагруженные.
Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов: золота,
серебра, платины, палладия и их сплавов, которые обладают низким переходным
электрическим сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления, но не
обладают высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию.
Высоконагруженные контакты изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и
порошковых композиций.
Эти материалы хорошо сопротивляются электроэрозионному изнашиванию, не
свариваются при эксплуатации, их применяют при большой частоте переключения.
Скользящие контакты. К материалам для этих контактов предъявляются те же
требования, что и для разрывных. Но основное требование – высокое сопротивление
свариванию. Для этих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра
с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию (МГ3, МГ%, СГ3, СГ5).
Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.
Неподвижные контакты.
Эти контакты должны иметь низкое значение
переходного электрического сопротивления, быть стабильным при небольших контактных
усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионно-стойкий материал, не
образующий оксидных плёнок высокого электрического сопротивления на контактной
поверхности. Это медь, латунь цинк.
Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.
Их используют для прецизионных { [< фр. рrecision точность] – отличающийся
высокой точностью}
элементов сопротивления и нагревательных элементов
электрических приборов и печей.
Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным
коэффициентом электрического сопротивления, а также высокой жаростойкостью, что
особенно важно для нагревательных элементов.
В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому
они должны обладать хорошей пластичностью. Все сплавы с повышенным
сопротивлением в зависимости от рабочей температуры делят на три группы:
 Рабочая температура не выше 500оС. Используют для изготовления
прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся – медные сплавы,
легированные Ni и Mn. ГОСТ 492-73.
МНМц 40-1,5 – константан (Ni –
40%, Mn – 1,5%, остальное Cu).
МНМц 3-12 – манганин. Общим
недостатком медных сплавов является их склонность к окислению при
нагреве, что изменяет переходное электрическое сопротивление. Поэтому
часто используют сплавы на основе серебра, палладия, золота, платины.
 Рабочая температура не выше 1200оС. Используют для элементов
сопротивления и нагревательных элементов. Это сплавы на основе Fe и Ni.
ГОСТ 10994-74. Х23Ю5 – хромаль (Cr – 23%, Al – 5%, остальное Fe).
Х20Н80 – нихром. Сплавы на основе железа используют для реостатов и
нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках и
промышленных печах.
 Рабочая температура выше 1200оС (в вакуумных печах). Используют сплавы
на основе тугоплавких металлов W, Mo, Ta. Для изготовления нагревателей
электрических печей (до 1500оС) применяют также керамические материалы.
2. Полупроводниковые материалы.
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электрическим
сопротивлением в пределах 10-5 – 108Ом . м. К таким материалам относятся 12 элементов
(бор, алмаз, кремний, германий, олово, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур, иод),
представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения
(карбид кремния – SiC, антимониды – ZnSb (цинк-сурьма), арсениды – GaS, сульфиды –
ZnS, CdS, оксиды – ZnO, FeO).
Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний. Чем
больше ширина запрещённой зоны, тем выше должна быть температура нагрева
полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так,
у кремния ширина запрещённой зоны существенно выше, чем у германия, поэтому при
нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления
до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при
более высоких температурах, чем кремниевые.
Степень легирования, так же как и степень очистки, контролирует изменением
электрического сопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости,
время жизни или диффузионную длину L (среднее время, в течение которого «живёт»
носитель до своей рекомбинации, называют время жизни. Расстояние, которое успеет
пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной).
Например марки: ГЭ40/3,0 или КЭ150/0,3. Первая цифра в марке указывает
значение электрического сопротивления (Ом . м), вторая – диффузионную длину L,мм.
3. Диэлектрики.
Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны
проводимости широкой зоной запрещённых энергией. Важнейшими твёрдыми
диэлектриками являются керамика, полимеры, стекло. В них преобладает ионный или
ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое
сопротивление равно 1012-1020 Ом . м. электрические свойства диэлектриков определяют
область его применения: при этом принимаются во внимание механические свойства
материала, его химическая стойкость и другие параметры.
Электрическая прочность диэлектрика характеризуется сопротивлением пробою.
Пробой – это необратимое разрушение твёрдого диэлектрика под действием поля и потеря
изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряжённостью Епр
называется отношение пробивного напряжения Uпр к толщине диэлектрика в месте
пробоя.
Различают три вида пробоя:
 Электрический;
 Тепловой;
 Электрохимический.
Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей
лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (10-7-10-8 с) под действием поля
большой напряжённости (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно
диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева,
причём пробивная напряжённость Епр из-за повышения температуры диэлектрика
снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура
диэлектрика и выше Епр. тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как
при этом возрастают потери) и замедления теплоотвода.
Электрохимический пробой
наступает при длительном действии поля,
сопровождающимся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением
его электрической прочности.
По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические.
К органическим относятся: полимеры, резина, шёлк; к неорганическим – слюда,
керамика, стекло.
По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные
(электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).
Требования, предъявляемые к диэлектрикам:



Нагревостойкость – способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев
в течение длительного времени. Имеется семь классов (ГОСТ 8865-70).
Гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих
плёнок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую
способность и может закончится пробоем.
Прочность диэлектриков. Особенности их механических свойств являются
дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло – наиболее
прочные диэлектрики, но они хрупкие.

Стабильность структуры и свойств диэлектриков, что определяет сроки их
эксплуатации. Наибольшую стабильность имеет керамика, в стёклах под
влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются
электропроводящие мостики.
Инструментальные материалы
Инструментальные материалы подразделяются:
1. Инструментальные стали.
2. Твёрдые сплавы.
3. Сверхтвёрдые материалы (алмаз и кубический нитрид бора).
Наиболее обширную и важную в практическом отношении группу составляют
инструментальные стали. Они предназначены для изготовления инструментов четырёх
типов:
 Режущих;
 Измерительных;
 Штампов холодного деформирования;
 Штампов горячего деформирования;
Важнейшее условие работоспособности инструментов – высокая износостойкость
и теплостойкость материала, из которого они изготовлены.
Износостойкость – исключение пластической деформации. Твёрдость
инструмента должна быть в 2-3 раза выше, чем у обрабатываемого материала.
Теплостойкость (красностойкость) – способность инструмента сохранять
твёрдость при повышенных температурах.
Материалы для режущих инструментов.
По теплостойкости применяемые материалы подразделяют на следующие группы:
1. углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200оС;
2. высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600 –
640оС;
3. твёрдые сплавы с теплостойкостью до 800 – 1000оС;
4. сверхтвёрдые материалы с теплостойкостью до 1200оС.
Углеродистые стали У7, У8, У9, У10А и т.д. Благодаря невысокой твёрдости в
состоянии поставки (187 – 217 НВ) эти стали хорошо обрабатываются резанием и
деформируются,
что
позволяет
применять
накатку,
насечку
и
другие
высокопроизводительные методы изготовления инструмента.
Из-за низкой прокаливаемости (10 – 12 мм) эти стали пригодны для мелких
инструментов (метчики, развёртки, напильники и т.д.). Инструменты с поперечным
сечение до 25 мм остаётся с не закалённой сердцевиной. Благодаря вязкой сердцевине
этот инструмент устойчив к ударам и вибрациям.
Т.О. – неполная закалка и низкий отпуск (150 – 180оС). НRС 62 – 64.
Заэвтектойдные стали используют также для изготовления измерительного
инструмента (калибры простой формы и невысоких классов точности) и небольших
штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.
Стали У7, У8, У9 обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для
инструментов: деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а также пуансонов,
матриц и др. Т.О. – полная закалка и отпуск (275 – 325оС) на структуру троостит. НRС
48 – 55.
Низколегированные стали содержат до 5% легирующих элементов Х, 9ХС,
ХВ4, ХВГ, ХВСГ, которые вводят для увеличения прокаливаемости, закаливаемости,
уменьшения деформаций и растрескивания инструмента.
По структуре эти стали относятся к заэвтектойдным сталям перлитного класса.
Т.О. – закалка в масле и низкий отпуск. НRС 62 – 69, высокая износостойкость.
Однако из-за низкой теплостойкости эти стали имеют практически одинаковые с
углеродистыми сталями эксплуатационные свойства. Их применяют для инструментов,
работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200 –
260оС.
В отличии от углеродистых они меньше склонны к перегреву и позволяют
изготовлять инструменты больших размеров и более сложной формы.
Быстрорежущие стали
высоколегированные стали, предназначены для
изготовления инструментов высокой производительности.
Основное свойство этих
сталей – высокая теплостойкость (красностойкость), благодаря введения большого
количества вольфрама (W) совместно с другими карбидообразующими элементами:
молибденом (Мо), хромом (Сr), ванадием (V).
Предусмотрено 14 марок быстрорежущих сталей, которые по эксплуатационным
свойствам делятся на две группы:
 нормальной производительности;
 повышенной производительности;
Стали нормальной производительности образуют – вольфрамовые Р9, Р12, Р18,
Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые Р6М3, Р6М5 стали, сохраняющие твёрдость не ниже
НRС 58 до температуры 620оС. Хорошая обрабатываемость давлением и резанием.
Высокая прочность и хорошая вязкость. Плохо шлифуются из-за присутствия твёрдых
карбидов ванадия.
Стали повышенной производительности это стали, содержащие кобальт и
повышенное количество ванадия: Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р9К5Ф5,
Р18К5Ф2. Они превосходят стали первой группы по теплостойкости. (630 – 640оС),
твёрдости НRС > 64 и износостойкости, но уступают им по прочности и пластичности.
Стали повышенной производительности предназначены для обработки высокопрочных
сталей, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и
других труднообрабатываемых материалов. Это дорогие стали.
Ковка быстрорежущих сталей – ответственная операция. При недостаточной
проковке возникает карбидная ликвация - местное скопление карбидов. Для её устранения
применяют изотермический отжиг.
Высокие эксплуатационные свойства – инструменты из этих сталей приобретают
после закалки с Т = 1300оС и трёх кратного отпуска Т = 500 – 550оС. Из-за низкой
теплопроводности нагрев под закалку ведут медленно с прогревом при 450оС и 850оС,
применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Высокая
температура нагрева необходима для обеспечения теплостойкости – получения после
закалки высоколегированного
мартенсита в результате перехода в раствор
максимального количества специальных карбидов.
Трёх кратный отпуск – для
устранения остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением
температуры точки Мк ниже 0оС.
Режущие свойства некоторых видов инструментов (фасонные резцы, свёрла,
фрезы, протяжки и др.) дополнительно улучшают созданием на неперетачиваемых
поверхностях тонкого слоя нитридов или карбонитридов путём напыления,
карбонитрации или цианирования.
Спеченные твёрдые сплавы. Их изготовляют методом порошковой металлургии
из высокотвёрдых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединённые
кобальтовой связкой.
Твёрдые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. 80 – 95%
карбидных частиц с кобальтовой связкой прессуют и спекают при Т = 1400 -1550оС.
Твёрдые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают резцы, свёрла, фрезы и
другие режущие инструменты. Твёрдость 85 – 92 НRА (74 – 76 НRС). Высокие
износостойкость и теплостойкость (800 – 1000оС). Недостатки – сложность изготовления
фасонных изделий, высокая хрупкость.
В зависимости от состава карбидной основы спечённые твёрдые сплавы выпускают
трёх групп:
1. Вольфрамовая, системы WС-Со. ВК3, ВК4, ВК6….ВК25. Наибольшая
прочность, но более низкая твёрдость. Теплостойкость до 800оС. ВК3-ВК8
применяют при обработке чугуна, цветных металлов фарфора, керамики и
т.п. ВК10-ВК15 используют для волочильных и буровых инструментов.
ВК20-ВК25 применяют для изготовления штамповых инструментов.
2. Титановольфрамовая, системы ТiС-WС-Со.
Т30К4, Т15К6, Т5К10.
Характеризуются более высокой твёрдостью, теплостойкостью (900 –
1000оС). Применяют для высокоскоростного резания сталей.
3. Титанотанталовольфрамовые, системы
ТiC-ТаС-WС-Со.
ТТ7К12,
ТТ8К6. Соответственно ТiC = 4% и 6%, ТаС = 3% и 2%. Отличаются
большой прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и
выкрашиванию. Применяются при наиболее тяжёлых условиях резания –
черновая обработка стальных слитков, отливок, поковок.
Сверхтвёрдые материалы их широко применяют для оснащения (вставками)
лезвийных инструментов (резцы, свёрла, торцовые фрезы). Используют для чистовой
обработки при больших скоростях резания (100 – 200 м/мин).
Алмаз (преимущественное применение имеют синтетические алмазы) – борт,
баллас,
карбонадо поликристаллического строения, которые по сравнению с
монокристаллами отличается меньшей хрупкостью и стоимостью. Алмазным
инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, а также пластмассы,
керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость поверхности.
Кубический нитрид бора КНБ получают спеканием микропорошков нитрида
бора при высоких температурах и давлениях или прямым синтезом из нитрида бора. В
зависимости от технологии получения КНБ выпускают под названием: эльбор, эльбор –
Р, боразон. Используют для обработки различных труднообрабатываемых сталей, в том
числе цементованных и закалённых (НRС > 60). При этом высокоскоростное точение
закалённых сталей может заменить шлифование, сокращая в 2 – 3 раза время обработки и
обеспечивая низкую шероховатость поверхности.
Стали для измерительных инструментов.
Основное свойство, которыми должны обладать стали этого назначения:
 Высокая износостойкость;
 Постоянство размеров и формы в течение длительного срока службы.
Дополнительные требования: получение низкой шероховатости поверхности и
малой деформации при термической обработке.
Наиболее широко применяют заэвтектоидные низколегированные стали Х, ХГ,
ХВГ, 9ХС. Твёрдость 60 – 64 НRС. Термическую обработку проводят таким образом,
чтобы затруднить процессы старения, которое вызывает объёмные изменение,
недопустимые для измерительных инструментов.
Инструменты высокой точности подвергают обработке холодом при Т = -50 -80оС.
Отпуск проводят при Т = 120-140оС в течение 24-48 час. Более высокий нагрев не
применяют из-за снижения износостойкости.
Инструменты повышенной точности подвергают неоднократному чередованию
обработки холодом и кратковременного (2-3 час) отпуска.
Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны и т.п.) нередко изготовляют из
листовых сталей 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХН3А, подвергаемых цементации, или из сталей
50, 55, закаливаемых с поверхностным нагревом ТВЧ.
Для инструментов сложной формы и большого размера применяют азатированную
сталь 38Х2МЮА.
Штамповые стали
1. Стали для инструментов холодной обработки давлением.
Основные свойства, которыми должны обладать стали для штампов и других
инструментов холодной обработки давлением:
 Высокая твёрдость;
 Износостойкость;
 Прочность, сочетающиеся с удовлетворительной вязкостью.
При больших скоростях деформирования, вызывающих разогрев рабочей кромки
инструмента до 450оС, от сталей требуется достаточная теплостойкость. Для штампов со
сложной гравюрой важно обеспечить минимальные объёмные изменения при закалке.
Низколегированные Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ и углеродистые У10, У11, У12,
используют для вытяжных и высадочных штампов при небольших ударных нагрузках.
Т.О. – неполная закалка и отпуск 150 – 180оС, твёрдость 58 – 60 НRС. Штампы
работающие с ударными нагрузками – отпуск 275 – 325оС, твёрдость 52 – 54 НRС.
Высокохромистые стали
Х12,
Х12М,
Х12Ф1 – обладают высокой
износостойкость и глубокой прокаливаемостью (150 – 200 мм). Применяют: вырубных,
обрезных, чеканочных штампов повышенной точности, штампов выдавливания,
калибровочных волочильных досок, накатанных роликов и т.д. Эти стали после
нормализации относятся к мартенситному классу.
Структура и свойства высокохромистых сталей в сильной степени зависит от
температуры закалки, так как с её повышением увеличивается растворимость карбидов,
концентрация хрома и углерода в аустените.
Стали Х12Ф1, Х12М обрабатывают как на первичную, так и на вторичную
твёрдость.
Первичная – более низкая температура закалки (1020 – 1075оС). Количество
остаточного аустенита невелико. Низкий отпуск (150 – 170оС). Твёрдость 61 – 63 НRС.
Наибольшая прочность, но низкая теплостойкость. Применяется для большинства
штампов и накатных роликов.
Вторичная – закалка с более высоких температур (1100 – 1170оС). Она приводит к
снижению твёрдости из-за большого количества Аост. Твёрдость повышают 4 - 6 кратным
отпуском при Т = 500 – 580оС. (60 – 62 НRС). Увеличивается теплостойкость до 500оС.
Применяют – для штампов, работающих при повышенном нагреве без больших нагрузок.
Сталь Х6ВФ – содержит меньше углерода и хрома и обладает меньшей
карбидной неоднородностью. Более высокая прочность и вязкость. Применяют – для
штампов с тонкой гравюрой и резьбонакатных роликов.
Хромокремнистые стали
4ХС,
6ХС и дополнительно легированные
вольфрамом 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С образуют стали повышенной вязкости,
используемые для изготовления инструментов, подвергающихся ударам – зубила,
гибочные штампы, обжимные матрицы и др. Отпускаются на твёрдость 52 – 55 НRС
при температуре 240 – 270оС. Стали с вольфрамом имеют большую вязкость и
предназначены для инструментов, работающих с повышенными ударными нагрузками.
2. Стали для инструментов горячей обработки давлением.
Эти стали работают в тяжёлых условиях, испытывая интенсивное ударное
нагружение, периодический нагрев и охлаждения поверхности. От них требуется
сложный комплекс эксплуатационных и технологических свойств:
 Достаточная прочность;
 Износостойкость;
 Вязкость;
 Прокаливаемость (для крупных штампов);
 Теплостойкость;
 Окалиностойкость;
 Разгаростойкость (устойчивость к образованию поверхностных трещин,
вызываемых объёмными изменениями в поверхностном слое при резкой
смене температуры).
Т.О. – этих сталей закалка и отпуск при Т = 560 – 680оС на структуру троостит
или троостосорбит. 35 – 45 НRС.
Стали для молотовых штампов 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВС. Эти штампы имеют
большие размеры и работают с ударными нагрузками при относительно невысоком
нагреве (400 – 500оС). Для изготовления этих штампов используют низколегированные
стали высокой прокаливаемости с повышенной ударной вязкостью и разгаростойкостью.
Сталь 5ХНМ – лучшая в этой группе. Прокаливаемось до 400 – 500 мм. Стали 5ХГМ и
5ХНВС при одинаковой прокаливаемости уступают в вязкости. Сталь 5ХНВ по
стойкости равноценна, но имеет более низкую прокаливаемость до 200 мм.
Стали для штампов горизонтально-ковочных машин и прессов комплекснолегированные стали 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 4Х5В2ФС и др., которые по составу и видам
превращений при термической обработке сходны с быстрорежущими сталями. Для сталей
этого назначения наиболее важные свойства – теплостойкость и разгаростойкость. Для
повышения теплостойкости их закаливают с высоких температур 1025 – 1125оС. Для
повышения вязкости отпуск ведут при высоких температурах 600 – 650оС на структуру
троостита и твёрдость 45 – 50НRС.
Рассмотренные стали используют также для изготовления пресс-форм литья под
давлением цветных сплавов, работающих в тяжёлых условиях, связанных с
периодическим нагревом и охлаждением поверхности и воздействием расплавленного
металла.
Для пресс-форм, менее нагруженных в тепловом отношении, используют стали
4ХВ2С, Х12, 7Х3, 8Х3, коррозионно-стойкую сталь 30Х13, конструкционные стали
40Х, 30ХГС и др.
Для штампов особенно эффективно ионное азотирование, которое повышает в 4 -5
раз устойчивость стали против коррозионного действия жидких алюминиевых сплавов.
Список рекомендуемой литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.
Мухин и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2001. – 648 с.
Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Т.П.
Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. М.: Высш. шк., 2002. – 638 с.
Мозберг Р.К. Материаловедение: учебн. пособ. М.: Высш. шк., 1991. 480 с.
Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы материаловедения и
термической обработки: учеб. пособие / И.С. Стерин. – СПб.: Политехника,
2003. – 344 с.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для вузов. М.:
Машиностроение, 1993. – 448 с.
Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. –
542 с.
Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: учебн. пособие для вузов /
Под ред. А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1989 – 454 с.
Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин
и др. Под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
Конструкционные материалы: справочник / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.
М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.
Журавлёв В.Н., Николаев В.И. Машиностроительные стали: справочник.
М.: Машиностроение, 1992. – 480 с.
Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные
металлы и сплавы: Справочник. М.: Металлургия, 1974. – 488 с.
Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы: Справочник. Л.:
Химия, 1982. – 317 с.