Маркелов

1. Понятие о Ме. Природа Ме связи. Осн. св-ва Ме . Роль рус ученых в развитие науки о Ме. од Ме понимают в-ва, обладающие характерным блеском, в той или иной степени присущей всем Ме, и пластичностью. Кроме того все Ме обладают высокой электро- и теплопроводностью, положительным темпер коэфф-м линейного расширения, термоэлектронной эмиссией, около 30 Ме сверхпроводимостью Наличие этих св-в характеризуют Ме состояние в-ва. Для Мех харак-ны Ме связи, кот-е возникают при образовании из внешних электронов(ел-в) «-» заряженный эл-й газ. В рез-те чего «+» ионы образуют плотную, но пластичную крист.реш-ку. При Ме связи м/у ионами и Эл-м газом возникают электростатич-е силы притяжения, кот-е связывают ионы. Ионы в тв.Ме расположены на таком расстоянии друг от друга, в кот-х силы взаимного притяжения и отталкивания= Основоположником материалов стал П.П.Аносов – раскрыл секрет булатной стали, применил микроскоп, работал над качеств. сталью. Научный основопол-к матер-ия Д.К.Чернов – обнаружил, что в процессе нагрева и последующего охлаждения изм-ся стр-ра стали, обнаружил диапазон этих температур(критические точки Чернова), сделал наброски диаграммы Fe-C.

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.

Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.

Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами.

2.Атомно-кристаллическое строение металла.

Металлы, описываемые пространственной кристаллической решеткой, под которой понимают наименший комплекс атомов, при многократной трансляции которых по всем направлениям воспроизводится пространственная кристаллическая решетка.

В узлах кристаллической решетки располагаются атомы. Пространственную кристаллическую решетку легче всего представить в виде элементарной кристаллической ячейки. Ячейка – это та часть решетки, при многократной трансляции которой она и воспроизводится. Три основные вектора элементарной ячейки называются трансляционными плоскими осевыми единицами.

Абсолютная величина трансляции – это период кристаллической решетки. Период кристаллической решетки измеряют в анкстреммах 1А=10-8 см или в кХ (килоиксах), так называемых кристаллографических анкстреммах. 1кХ=1,00202 А

На одну элементарную ячейку приходится различное количество атомов; при чем атомы занимают определенные места в ячейке.В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы.

Простейшая решетка описывается одним параметром, которым является ребро куба а.

2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом. Параметры решетки определяются длиной ребра куба а.

3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены дополнительно по одному атому.

4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической характеризуется двумя параметрами а и с. В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной. Примеры: ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fe; ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Fe; ГПУ – бериллий. Некоторые металлы, например индий, имеют тетрагональную решетку.

Свойства металлов при прочих равных условиях определяются типом кристаллической решётки, т.е. количеством атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. На простую ячейку приходит с один полный атом. На ОЦК ячейку приходится два атома: один атом вносится атомом и один принадлежит только этой ячейке. Для ВЦК на одну ячейку приходится четыре атома. Плотность кристаллической решетки определяется, так называемым координатным числом. Под координатным числом понимается число атомов, находящихся на кратчайшем расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки К=8, для ГЦК – К=12 и для ГПУ – К=12. От величины координатного числа зависит компактность (плотность укладки) кристаллической решетки. Так в простой кристаллической решетки плотность укладки атомов в ячейке составляет менее 50%. В ОЦК – 50%, в решетках с координатным числом 12 – порядка 75%.

3.При переходе метала из жидкого состояния в кристаллическое образуются кристаллы. Процесс этот называется кристаллизацией. Металл стремиться перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. F - изменение свободной энергии системы.Исходя из вышесказанного меньше свободной энергии после нагрева выше температуры TS является жидкое состояние, ниже температуры TS кристаллическое. Температура TS называется теоретической температурой плавления (кристаллиз.). Однако ни процесса плавления ни процесса рекристаллиз. при этой температуре проходить не может т.к. свободные энергии при TS жидкого и кристаллич. состояния будут равны: Fж = Fкр . Для того, чтобы пошел процесс рекристаллиз. металл необходимо переохладить относительно теоретической температуры TS. В этом случае свободная энергия кристалл. состояния будет меньше по-сравнению с жидк. состоянием. Температура, при которой фактически осуществляется процесс кристаллизации называется фактическими температурами кристаллиз. Разность между этими температурами называется степенью переохлаждения. На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.Кривая 1 имеет температуру TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.Процесс кристаллизации металлов состоит из двух стадий:а) из стадии зарождения центров кристаллизации б) из стадии их роста

Для жидкого состояния характерен ближний порядок в расположении атома. Атомы располагаются не хаотически, как в газообразном состоянии и не закономерно, т.е. в определенных узлах кристаллической решетки, как в твердом состоянии. Ближний порядок характеризуется тем, что атомы в микрообъемах жидкости располагаются так, как в твердом состоянии. Однако эти объемы могут рассасываться и возникать вновь. Чем ниже температура, тем больше в жидкости таких микрообъемов. При определенных условиях эти микрообъемы и являются центром кристаллизации. Однако не все центры способны к росту. Если размер центра (зародыша) меньше какой-то величины для данной степени переохлаждения, то этот зародыш растворяется, если больше, то он растет. Минимальный размер зародышей склонных к росту при данной степени переохлаждения, называется критическим и такой зародыш является устойчивым. Чем больше степень переохлаждения, тем меньший размер зародыша способен к росту. Рост зародышей осуществляется путем последовательного присоединения к ним атомов из окружающей жидкости.

Присутствие примеси в металле облегчает процесс центров кристаллизации, т.к. примесь является подложкой, на которой происходит зарождение центров.

Кинетика кристаллизации чистых металлов.

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизации n и скоростью их роста m . В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. По сути это кристаллизационный процесс, т.к. перенастройка решетки из одного типа в другой происходит при постоянной температуре. Однако, т.к. этот процесс имеет место в твердом состоянии его называют перекристаллизацией. К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобольт.

5. Механические свойства металлов.

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

В первоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжении пц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается. пц – получила название предел пропорциональности, который равен: пц=Рпц/Fо, Мпа При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический): т=Рт./F о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пре­делом текучести. 02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%; в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца. Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:  - относительное удлинение;  - относительное сужение К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость опре­деляют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.

6 7 8. Дефекты кристаллического строения или реальное строение атома.

Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки колеблются. В любой момент в кристалле всегда проявляются атомы, имеющие большую энергию по сравнению с близлежащими атомами. При чем этой энергии хватает не только на то, чтобы атомы вышел из своего узла, но и на то, чтобы он преодолел потенциальные барьеры, выстраиваемые на его пути близлежащими атомами.В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом.Как в первом, так и во втором случаях кристаллическая решетка искажается вокруг дефекта на несколько атомных периодов.Вокруг вакансий решетка как бы искажается, пытаясь залечить вакансию, а вокруг дислоцированного атома – наоборот. Вакансию иначе называют «дыркой».Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.Дислокации бывают краевые и винтовые.Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2.

Поверхностные дефекты. К ним относятся границы зерен, фрагментов, блоков.

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10-5…10-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

Роль дислокации в упрочнении Ме. Способы повышения прочности Ме и сплавов.

Велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря дислокациям экспер. Определ предел текучести Ме в 1000 раз больше теоретич значения. При значит увелич плотности дислок и уменьшении их подвижности прочность увел в неск-ко раз по сравнению с отожженным состоянием. Плотность бездефектных участков приближ к теоретич. В полупр дислок влияют на электрические и другие св-ва считают электрич сопротивление. Уменьш время носителей значение дисл особенно возрастает в микроэлектронике, где применяют тонкие пленочные кристаллы, и дисл играют роль тонких проводящих каналлов, вдоль которых легко перемещ-ся атомы примеси. Причины упрочнения:

Увеличение плотности дислок(происходит уменьшение их свободн длины прбега, возник напряж, увелич прочн-и, твердости матер)

Выпадение субмикроскоп элементов по плоскостям скольжения.

Дислакац барьеры

ХПД за счет уплотнени дислокаций

Легир-ть (тв раствор внедрения дисл упрочн.)

12. СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Под сверхпластичностью понимают способность металла Незначительной пластической деформации (=102-103%) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10° — 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности. 1. Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации2 (10-5 — 10-1 с-1). 2. Субкритическая (свёрхпластичность превращения), наблю­дающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных. Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности.Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в опреде­ленных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чув­ствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации :  = km, где k — коэффициент, зависящий от струк­туры и условий испытания; т — показатель скоростной чувстви­тельности напряжения течения. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации т > 0,3 (обычно 0,4—0,7). Когда при сверхпластической деформации начинается образо­вание шейки, в этом участке образца возрастает  и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяже­нии образца. Структурная сверхпластическая деформация протекает глав­ным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в опре­деленной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение. Проблема создания промышленного структурного сверхпла­стичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической дефор­мации. Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1:1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверх­ности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминиевый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые а α+β-сплавы, двухфазные – α+γ’-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из α-раствора и дисперсных частиц Al3Zr, и некоторые другие. Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрев штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

13. Основы теории сплавов.

Сплавом называют результат сплавления двух или более компонентов. Компоненты - это химически индивидуальные вещества образовывающие сплав. Фаза – однородная часть системы отграниченная поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно.

В зависимости от характера компонентов, в сплаве могут образоваться хим. соединения, твердые растворы, механические смеси.Хим. соединения.Хим. соединения образуются при строго определенном количественном соотношении атомов. Для хим. соединения характерным является то, что кристаллическая решетка его отличается от кристаллической решетки сплавляемых компонентов. Если хим. соединение образуют металлы, то его называют интерметаллидом.

14 Твердые растворы.

Они образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента. Это твердые растворы замещения. Бывают твердые растворы внедрения, твердые растворы вычитания.

Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основной металл, атомы в котором замещаются, называется растворителем.2) Растворенный компонент. Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необходимо выполнение трех условий: а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 или 15 % в) Сплавляемие компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.Твердые растворы внедрения.Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения. Твердые растворы вычитания.Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.Механические смеси.Некоторые компоненты при сплавлении не взаимодействуют с образованием хим. соединений или твердых растворов. Они образуют механические смеси. Механические смеси отличаются от хим. соединений и твердых растворов тем, что в них сохраняются типы решеток характерных для сплавляемых компонентов.

16. Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, образующая механическую смесь.

Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус. а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). Для диаграмм этого типа компонент и фаза являются синонимами. Для диаграмм другого типа необходимо говорить только о фазах, поскольку компонент и фаза не являются синонимами. Механическая смесь, состоящая из двух или более фаз, одновременно кристаллизующаяся в жидкости называется эвтептикой. Ниже точки Д на диаграмме структура представляет собой чисто эвтептической.

Правило отрезков.

Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.

Правило фаз действует только в двухфазной области.

17. Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы

Диаграмма состояния для двухкомпонентной системы, компоненты в которой образуют ограниченные твердые растворы, при этом в зависимости от типа диаграммы, диаграммы подразделяются на диаграммы с эвтептикой и диаграммы с перетептикой.

Диаграммы с эвтептикой: компоненты А и В. Фазы: жидкость ,;- твердый раствор компонента В в компоненте А; - твердый раствор компонента А в компоненте В.

Линия АВС – ликвидус. ADCFB – солидус, т.к. компоненты вступают во взаимодействие в твердом состоянии с правой и с левой стороны диаграммы будут находиться так называемые области ограниченной растворимости.

Линия ДК- указывает на то, что растворимость компонента В в А увеличивается с повышением температуры. Растворимость В в А при комп. Температуре будет соответственна на диаграммы. При температуре плавления эвтевтики точка Д на диаграмме. Противоположность растворимость компонента А в В не изменяется (линия FL) при комнатной температуре растворимость компонента А в В соответственна точке L при температуре плавления эвтевтики в точке L. Горизонтальная линия DCF соответствует температуре, при которой происходит эвтевтическая реакция.

Эвтевтика – это механическая смесь двух или более фаз одновременно кристаллизующихся из жидкости. В точке С происходит чисто эвтевтическая реакция, которая записывается как жидкость точки С распадается на  - твердый раствор точки Д и  - в точке F.

Кривые охлаждения.

С=К-Ф+1

С0-1=2-1+1=2 С1-2=2-2+1=1

Диаграмма с перлитом.

Компоненты А,В, жидкост, ,.

В отличие от эвтевтической реакции при перетептичекой реакции жидкость взаимодействует с кристаллами выпавшей фазы с образованием кристаллов новой фазы.

18 19. Диаграмма состояния железо-цементит.

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

Л – ледебурит

ЦI – цементит первичный.

Железо – металл, плавящийчя при температуре 1539оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539 оС – 1392 оС железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392 оС – 911 оС железо имеет ГЦК решетку.

При температуре менее 911 оС железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768 оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.

Железо сравнительно мягкий металл: в=250 МПа, НВ 80.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.

На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.

На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.

Ферит – твердый раствор углерода в -железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).

Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии HIB при Т=1499 оС протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодейст­вует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).

При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).

21.Превращения в стали при нагреве.

Если эвтектоидную сталь, содержащую 0,8% углерода и имеющую структуру перлит нагреть выше Аc1 (7270С), то перлит превратится в аустенит с тем же содержанием углерода (0,8%).

Если доэвтектоидную сталь, содержащую, например, 0,4% углерода и имеющую структуру феррит + перлит, нагреть выше Аc1, то перлит превратится в аустенит. Феррит никаких изменений не претерпевает. Аустенит содержит 0,8% углерода, а феррит - 0,02% (точка P). По мере повышения температуры в интервале Аc1-Аc3, феррит будет растворятся в аустените и как бы "разбавлять" его по углероду и в момент достижения температуры Аc3 аустенит будет содержать 0,4% углерода, то есть столько, сколько углерода в стали.

Если заэвтектоидную сталь, содержащую, например, 1% углерода и имеющую структуру перлит + цементит, нагреть выше Аc1, то перлит превратится в аустенит с содержанием 0,8% углерода. Цементит никаких изменений не претерпевает и содержит 6,67% углерода. Дальнейший нагрев в интервале Аc1-Аc3 приводит к тому, что цементит будет растворятся в аустените и дополнительно насыщать аустенит углеродом. В момент достижения температуры Аcm аустенит будет содержать 1% углерода, то есть то количество углерода, которое в стали.

Линия 4 - линия начала превращений А в П. Между линиями 4 и 1 одновременно сосуществуют перлит и аустенит. В области между линиями 1 и 2 – аустенит + карбиды. В области 2, 3 - карбиды растворяются в аустените, но аустенит представляет собой твердый растаор с неравномерно распределенными атомами углерода, распределенными по всему объему. Выше нилии 3 происходит гомогенизация аустенита – линия начала превращения 4 горизонтальна, потому что нагрев распроятраняется, поэтому температура превращения практически не изменяется. Скорость превращения зависит от степени перенагрева относительно точки АС1 при перенагреве 1000 превращение перлита в аустенит пратикает практически мгновенно, что не позволяет фиксировать стадии, отраженные на представленной диаграмме изотермического образования аустенита.

Рост зерна аустенита при нагреве.

В момент превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких зерен аустенита. При дальнейшем повышении температуры зерно аустенита начинает рости. Это обусловлено стремлением системы к уменьшению свободной энергии.

Различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Под наследственной зернистостью понимают склонность аустенитного зерна к росту, отсюда мелкозернистые стали обладают меньшей склонностью аустенитного зерна к росту в отличие от крупнозернистых сталей. Однако при достижении температур 900-950 0 С барьеры, предшествующие росту зерна в наследственно мелкозернистых сталях устраняются, и происходит более интенсивный рост зерна по сравнению с крупнозернистыми сталями. При превращении перлита в аустенит выделяют начальное зерно – размер зерна в момент превращения П в А. Наследственное зерно – склонность аустенитного зерна к росту. И действительное зерно – размер зерна, полученный при конкретных условиях. На свойства стали оказывает влияние момент действительного зерна. С увеличением размера зерна характеристики прочности, и особенно ударная вязкость снижается, а увеличиваются магнитные и электрические свойства и наоборот.

Перегрев и пережег.

Если сталь выдерживать длительное время при высоких температурах, происходит интенсивный рост зерна. Это явление получило название – перегрев. Перегрев можно устранить дополнительной термической обработкой, заключающейся в повторном нагреве стали выще А1. В результате зерно измельчается, свойства стали возрастают. Если сталь длительное время выдерживать при температуре АС3 в окислительной атмосфкрк, то происходит образование окислов железа по границам зерен. Это так называемый пережег. Это не устранимый дефект, сталь необходимо переплавлять.

23. Превращения закаленной стали при нагреве. Превращения при отпуске.

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже ac1, с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В процессе нагрева происходят объемные и структурные изменения в стали. Если в дилатометре – приборе, позволяющем фиксировать изменения длинны образца в зависимости от температуры, то самописец прибора будет фиксировать горизонтальную прямую линию 1.При нагреве закаленной стали (кривая 2) до 80-1000C изменение в длине практически не наблюдается.Начиная с температуры 800C имеет место сокращение длины образца. Вплоть до температуры 2000C происходит так называемое 1-е превращение, при отпуске, в результате мартенсита выделяется карбид Fe2C когерентно связанный с матричным твердым раствором. При этом степень тетрогональности мартенсита уменьшается, отношение c/a - стремится к 1, но не равно ей.При нагреве выше 2000C происходит обратное. Наблюдается прирост длины образца. В интервале температур 200-3000C происходит 2-е превращение при отпуске. В интервале этих температур аустенит остаточный превращается в отпущенный мартенсит. 3-е превращение происходит при 300-400 градусах. В этом интервале температур происходит карбидное превращение. Метастабильный карбид Fe2C превращается в стабильный, в Fe3C. Одновременно происходит срыв когерентности и обособление карбидов. Снижается и уровень внутренних напряжений. 4-е превращение протекает при температуре выше 400 град., и состоит в коагуляции карбида. Структура стали после отпуска зависит от температуры отпуска. При температуре отпуска 300-500 град., получается тростит отпуска.При температуре 500-600 град. – сорбид отпуска, отличающегося от аналогичных структур, полученных при непрерывном охлаждении тем, что имеет зернистую морфологию, тогда как после непрерывного охлаждения из аустенитной области - пластинчатую морфологию. При одинаковой твердости тростит и сорбит отпуска по сравнению с троститом и сорбитом, полученным при непрерывном охлаждении, имеют более высокие значения в пределах текучести и ударной вязкости.Отпуск стали: отпуск является окончательной термической операцией, применяемой после закалки; это нагрев стали ниже критической точки Ас1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. Различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск.Низкий отпуск Его проводят при t>250 градусах Цельсия. Этот вид отпуска приводит к превращению мартенситной закалки в март. отпуска и практически не снижая твердости несколько увеличивает другие прочностные характеристики и отчасти ударную вязкость.Твердость стали с содержанием углерода 0.8-1% после низкого отпуска порядка 62-64HRC. Твердость легированных сталей несколько ниже в силу сохранения в них после закалки аустенита остаточного. Низкому отпуску подвергают инструментальные стали, предназначенные для изготовления штампов, деформирующих металлы в холодном состоянии, инструмента типа: зубило, лоток, режущий инструмент, работающих при низких скоростях резания, а также детали подвергнутые цементации, ционированию.Средний отпуск Это вид отпуска применяют в случае необходимости получения сочетаний высокого предела упругости с прочностными характеристиками. Например: при обработке пружин, рессор средний отпуск проводят при температурах 350–500 градусах Цельсия. Структура после среднего отпуска - тростит отпуска.Твердость 40–45HRC.Высокий отпуск Проводят при температурах 650–680 градусах Цельсия. Структура – сорбит отпуска. Этот вид отпуска применяется для получения лучшего сочетания прочностных свойств с ударной вязкостью. Термическая обработка, заключается в закалке с высоким отпуском называется улучшением.

24.Основными видами термической обработки, различно изме­няющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависи­мости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отлив­кам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.1. ОТЖИГ I РОДА Отжиг I рода в зависимости or исходного состояния стали и температуры ею выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости ,, снятия остаточных напряжений. Характерная особенность итого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения (а - у) или нет, Поэтому отжиг 1 рода можно про­водить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А1 и А3). Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неодно­родность, созданную предшествующими обработками. Бывает: Гомогенизация (диффузионный отжиг). Рекристаллизацконный отжиг . Высокий отпуск (для уменьшения твердости) Отжиг для снятия остаточных напряжений. 2. ОТЖИГ II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера­тур выше точек Ас1 или Ac3, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (γ - а-превращение), определяющие структуру и свойства стали. Понижая прочность и твер­дость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Измельчая зерно снимая внутренние напряжения Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный. 3. ЗАКАЛКА Закалка — термическая обработка — заключается в на­греве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и а1—для заэвтектоидной сталей) или температуры рас­творения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлажде­нии со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после за­калки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твер­дости, получения достаточно высокой пластичности и вязко­сти, а для ряда деталей также высокой износостойкости. Бывает Непрерывная, Прерывистая, Закалка с самоотпуском, Ступенчатая закалка, Изотермическая, обработка стали холодом.

25. Цементация

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает тверость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим веществом(карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. пРи температуре процесса(900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО2 т.к. процесс идет при недостаточном колличестве кислорода. При контакте окиси углерода с металической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО2+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд. 2СО2->СО2+С поверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО3, Na2CO3, K2CO3, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов. Это связанно с тем, что значительная часть времени тратится на прогрев ящика до заданной температуры т.к. корбюризатор является не теплопроводным веществом.Эффективнее способ газовой цементации.В этом случае и/з камеру зазмещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды(метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще свего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН4. При цементации тщательно регломентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже АС1 т.к. ферит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше АС3, а именно при температурах 900–930 градусах Цельсия. После цементации структура по сечению детали не однородна. На ковкости структура соответствующая структуре заэвтектоидной стали. Далее структура эвтектоидной стали(перлит), а затем структура доэтектоидной стали(Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны. Окончательные свойства формируются после термической обработки. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементной сетки.Термообработка заключается в закалке с температурой 820–840 градусах Цельсия и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в структуре аустенита остаточного, для утранения которого после закалки, иногда проводят обработку холодом.Для цементироания применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.Азотирование стали ХТО - это вит обработки, при котор имеется состав и и св-ва поверхностных слоев Ме. Прим для деталей работающих на износ, когда нужно чтобы поверх-ть была прочной, а сердцевина оставалась вязкой. Процесс ХТО состоит из 3-х стадий: диссоциация – происход в газовой среде когда выделяется активный элемент. Абсорбция – происходит на границе газа и Ме и заключается в поверхностными слоями Ме свободных атомов. Этот процесс возможен только тогда, когда свободные атомы способны растворяться в Ме. Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь. Т.к. скорость диффузии в тверд состоянии мала, то процессы эти длительные и могут продолжаться при азотировании несколько десятков часов. Азотирование – насыщение поверх азотом. После азот-я поверхност слой приобретает более высокую твердость, чем после цементации, в связи с образованием мелких и твердых нитридов. Азотирование произв-ся после механ обработки и терм обраб. Т.о. перед азотированием заключается в закалке и последующем высоком отпуске. А проводят при t 500-550, поскольку t более низкая, чем при цементации, то процесс более длительный. Твердые нитриды получ-ся, если в сталь добавить спец легир элементы, такие как Al, молибден. Стали, содержащие набор таких элементовспец разработанных для азотирования наз-ся нитралои. Если азотир обычные углеродстые стали, то твердость нитридов невысокая, и при t 500 они быстор коагулируют.

26. Цианирование

Нитроцементация и цианирование. Диффузионная металлизация.ХТО - это вит обработки, при котор имеется состав и и св-ва поверхностных слоев Ме. Прим для деталей работающих на износ, когда нужно чтобы поверх-ть была прочной, а сердцевина оставалась вязкой. Процесс ХТО состоит из 3-х стадий: диссоциация – происход в газовой среде когда выделяется активный элемент. Абсорбция – происходит на границе газа и Ме и заключается в поверхностными слоями Ме свободных атомов. Этот процесс возможен только тогда, когда свободные атомы способны растворяться в Ме. Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь. Т.к. скорость диффузии в тверд состоянии мала, то процессы эти длительные и могут продолжаться при азотировании несколько десятков часов. Нитроцементация – процесс одновременного насыщения углеродом и азотом. Этот процесс проводиться при t 840-860. t-ра более низкая в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. В этой среде процесс насыщения углерода идет более интенсивно. Продолжит процесса от 4 до 10 часов. Последующая закалка может осущ-ся прямо из печи с небольшим подстуживанием. Реже прим-ся двойная закалка. Цианирование – это процесс насыщения углеродом и азотом в следствии окисления расплавленных цианистых солей. t-ра 820-960, в расплавлен солях содержащих цианистый натрий. Для получения слоя небольшой толщины от 0,15-0,3 мм цианирование производят при t 820-860 в течении 30-90 мин. Поледующ закалку и низкий отпуск проводят сразу после цианирования. Для получения большего слоя от 0,5-2мм, t цианирования составляет 930-960. время выдержки от 1,5-6 часов. При этих T сталь в больших степенях насыщается углеродом до 0,8-2%. После такого режима деталь охлаждается на воздухе а затем под закалку нагревают в соленых ваннах, после чего подвергаются низкому отпуску. Диффузионная металлизация. Целью д м является насыщение поверхностных слоев стали различными элементами с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, усталостной прочности. Насыщение производят хромом. Процесс наз-ся хромированием, кремнием – сицилированием, Al – алиторованием, бором – борированием, при борировании резко повышается твердость поверх-х слоев, их износостойкость. Процесс борирования очень капризный, он требует четкого соблюдения технологии.

27. Основы теории термической обработки.

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.При термической обработке сталей необходимо учитывать фазовые и структурные превращения, происходящие при различных скоростях нагрева и охлаждения. Диаграмма Железо-Углерод дает представление о фазовых и структурных превращениях при бесконечно малых скоростях нагрева и охлаждения. Иными словами на диаграмме представлены фазы и структурные составляющие в равновесном состоянии. Увеличение скорости охлаждения может тормозить протекание диффузионных процессов, а иногда и полностью их подавлять, поэтому реальные условия нагрева и охлаждения и обеспечивают ту или иную структуру сплавов.Основные виды термической обработки.К основным видам относятся отжиг, закалка и отпуск. Но прежде чем говорить об этих видах, необходимо ввести понятие критической точки. Критические точки обозначаются буквой А : А1 или А3. А1 лежит на линии PSK, а А3 - на линиях GS и SE. Для того, чтобы отличать критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении в первом случае перед цифрой ставят букву c – Аc1, а во втором - букву r – Аr1. Для того, чтобы отличать критические точки А3 для доэвтектоидных сталей (GS) от А3 заэвтектоидных (SE), в первом случае пишут Аc3 и Аr3, а во втором - Аcm и Аrm.Отжиг - фазовая перекристаллизация, которая происходит при нагреве стали выше Аc3 с последующей выдержкой и медленным охлаждением. Если нет необходимости в полной перекристаллизации структурных составляющих, проводят нагрев стали выше точки Аc1 (плюс выдержка и медленное охлаждение, процесс получил название неполный отжиг). Отжиг приводит структуру стали в состояние близкое к равновесному. Структура доэвтектоидных сталей после отжига - Ферит + Перлит, эвтектоидной стали - Перлит, заэвтектоидных - Перлит + Цементит.Первое отклонение структуры от равновесного состояния происходит при нагреве стали выше точки Аc3, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе - нормализация.Закалка - нагрев стали выше критической точки Аc3 с последующей выдержкой и быстрым охлаждением. При быстром охлаждении подавляются все диффузионные процессы и образуется новая структура, характерная для закаленной стали - мартенсит. Мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в - железе.Отпуск - нагрев закаленной стали ниже точки Аc1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В практике обработки стали и других сплавов применяют также сочетания химических и термических воздействий (химико-термическая обработка). При химико-термической обработке в процессе нагрева деталей в поверхность последних внедряют атомы других элементов. Например, если дополнительно обрабатывать сталь углеродом, то процесс называется цементацией; азотом - азотированием; одновременно азотом и углеродом - цианированием; хромом - хромированием, и т.д.

28. Закаливаемость и прокаливаемость. Способы закалки. Охлаждающие среды. Дефекты закалки.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки.. Чем больше t, тем выше твердость. Прокаливаемость – способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Определяется скоростью охлаждения. Диаметры заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная зона – называют критическим диаметром ДК. Прокаливаемость тем выше, чем меньше скорость закалки. Способы закалки: 1) закалка в одном охладителе. «+»: простота; «-» большие внутренние напряжения в детали 2) прерывистое охлаждение в одном охладителе до t 300-350, перенос в другой охладитель (масло или воду) «+»снижаются внутр напряжения, «-» высокая квалификация рабочих, нестабильный результат 3) ступенчатая закалка – нагретую деталь помещают в соляную ванну с t несколько выше начала М превращения. После небольшой выдержки для выравнивания t по всему объему, охлаждение осуществляется в другом охладителе (на воздухе). «+»ликвидируются предыдущие недостатки, «-» скорость охлждения низкая, соляная ванна агрессивна. 4) изотермическая закалка – длит выдержка в закалочной ванне при t выше М точки. Твердость низкая, но нет внутренних напряжений. 5) Закалка с самоотпуском – суть закалки – отпуск производится за счет тепла массивной части изделия. Чаще всего для закалки используют следующие жидкости: воду, водные растворы щелочей и солей, масла. Вода, как охлажд жидкость имеет ряд недостатков: высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных дефектов, с повышением t воды резко ухудшается ее закалочная способность. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью обладают холодные 8-12% водные растворы NaCl и Na OH. Масло, как закалочная среда имеет след «+»: небольшая скорость охлаждения и постоянство закаливающей способности. К «-» относятся повышенная воспламеняемость, повышенную стоимость и т.д. Начинается применение охлаждения под давлением в среде азота, аргона, водорода.

30. Конструкционные стали. Классификация. Маркировка легированных сталей и сталей общего назначения.

Классификация по составуПо составу легированные стали классифицируются в соответсвии с названием основных легирующих элементов(например хромо–никелевых, хромо–никель вольфрам и…,)4. Классификация по названию:а)Конструкционные стали, которые до потребителя подвергаются термической обработки. В связи с этим их подразделяют на цементуемые(подвергаемые цементированию и улучшению, подвергаемые закалке и высокому отпуску).Несколько в стороне, но тоже относятся к конструкционным, которые у потребл. тело не подвергаются термообработке.б)Инструментальные стали–стали предназначенные для изготовления режущего инструмента(углеродистые, легированные, быстро–режущие, штамповые).в)стали и сплавы с особыми свойствами–это материалы с каким–либо ярко выраженным свойством(например: жаростойкие, коррозиционно стойкие, магнитные, электротехнические м т.д.).Маркировка легированных сталей Легированные стали маркируют цифрами и буквами. Первая цифра указывает на процентное содержание углерода в сотых долях. Следующей далее буквой указывают на прочность элемента, который образуется этой буквой. Если за буквой стоит цифра она обозначает в целых проценты. Если цифры нет, то содержимое этого элемента порядка 1%.Буква: А если в средине маркировки, то N, в конце маркировки, то сталь улучшенного качества. Б-Nb(необий), В-W, Г-Mn, Д-Cu, К-Co(кобаоьт)М-Mo(нолептен), Н-Ni, П-P P если в средине маркировки В(бор), если в начале, то указывает на то, сто сталь быстрорежущая, инструментальная.С-Si(кремний), Т-Ti(титан), Ф-V(ванадий), Х-Cr(хром), Ч-РЗМ(редкоземельный) СИ если в начале маркировки, то указывает, что сталь торикоподминниковая, если в средине–Mg(магний), Ю-Al 18ХГТ прибл. равно 0.18 углерода, порядка 1% хрома, 1% магния, 1% титана остальное железо. 20Х2НЧВА прибл. равно 2.0% углерода, 2% хрома, 4% никеля, 1%-W углеродного качества.

31.Влияние легир. эл-тов. Все легир. эл-ты упрочняют сталь. Часто наряду с повыш. прочности, повыш. пластичность, наприм. легир. Ni. Легир. эл-ты измен. кинетику распада А, сниж. скорость диффузии при всех тем-рах стали, поэтому увелич. устойчивость А. С-образные кривые смещаются вправо, тем самым сниж. критич. скорость закалки. Это улучш. закаливаемость и прокаливаемость стали, так действуют все легир. эл-ты, кроме кобальта. Все легир. эл-ты сниж. тем-ный интервал М превращения, поэтому малоуглеродист. стали, кот. обычно не закаливаются на М, в присутствии легир. эл-тов становятся способными закаливаться. При содерж. в Fe 20% Cr, она способна закаливаться на М. В сталях в кот. содерж. легир. эл-тов <2,5% наз. низколегир.; 2,5-10% - легир.; >10% - высоколегир. В низколегир. сталях обычно содерж. каждого легир. эл-та всегда <1%, хотя он и показан в марке стали. Молибдена 0,15-0,4%; вольфрама 0,5-1,2%; ванадия 0,06-0,3%; Ti 0,03-0,09%; бора 0,002-0,005%; ниобия 0,02-0,05%; азота 0,015-0,025%. Все легир. эл-ты, кроме марганца, уменьш. склонность А зерна к росту. Избыточные карбиды не растворимые в А препятствуют росту зерна А, поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого кол-ва не растворимых карбидов сохран. мелкозернист. строение до высоких тем-тур. Легир. эл-ты замедляют процесс распада М. Это связано с тем что процессы при отпуске имеют диффузионный хар-тер, а большинство легир. эл-тов замедляют процесс карбидного превращения особенно на стадии коагуляции.

33.Обозначение марок легир. сталей. Их клас-ция. 1. по равновесной структуре: 1.1.доэвтектоид. стали (в структуре избыточн. Ф);1.2.эвтектоидн. (П); 1.3.заэвтект. (избыточн. вторичн. легир. карбиды); 1.4.ледебуритные (первичн. карбиды выделившиеся при кристаллиз. из жидк. стали – кристаллы). По структуре Л должен быть отнесен к чугунам. В легир. сталях при меньшем содерж. углерода выделяется Л. В чугунах Л не деформируется, он очень хрупкий, в легир. сталях он деформируется, поэтому стали с Л более хрупкие. В некот. легир. сталях углерода м.б. >2,14%. 2. по структуре после охлажден. на воздухе: 2.1. перлитная; 2.2. мартенситная; 2.3. аустенитная. Эта классификация предложена французом Гийе. Немец Обер Дерфер предложил другую клас-цию. По нему структура м.б.: П; М; А; Ф; карбидная (Л); бенитная; Ф-М; А-Ф; А-М. 3. по составу: 3.1. никелевые; 3.2. хромистые; 3.3. хромоникелевые; 3.4. ромоникелемолибденовые и т.д. 4. по назначению: 4.1. конструкционные; 4.2. инструментальные; 4.3. стали и сплавы с особыми св-вами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, эл.-технич. и т.д.). Если в стали легир. элементов >50%, то это сплав на основе Fe. Наличие легир. элементов оговаривается в марке стали. Для этого приняты условные обозначения: это или первые буквы названия элемента, или наиболее звучащие буквы, или не то и не другое. H-Ni; X-Cr; B-вольфрам; M-молибден; Т-титан; Д-Cu; Ф–ванадий; Е–селен; Ч–редкоземельные эл-ты; Р-бор; К-кобальт; А-азот; Ю-Al; Б-ниобий; Г-Mg; С-кремний. Кроме того для обозначения некоторых групп прим. др. условные обознач., при этом эти условные обозначения ставятся впереди марки: Е-эл.-технич. стали для пост. магнитов; Ж-нержавейка Перлит класса; Я-нержавейка Ауст класса; Р-быстрорежущ. стали; У-углеродистые инструментальные стали; Э-эл.-технич. стали; ЭИ-экспериментально-исследовательские; ЭП-экспериментально-пробные. Пример: 12Х18Н10Т; 30ХГСА.

35. Инструментальные стали и твердые сплавы. Инструментальными наз. углер. и легир. стали обладающие высокой тв-тью 60…65HRC, прочностью, износостойкостью, красностойкостью и прим. для изготовл. различных инструментов: режущие, измерительные. Обычно это эвтектоидные или Л-ные стали, структура кот. после закалки и низкого отпуска представляет собой М и избыточные карбиды. Для инструментов требующих повыш. вязкости прим. доэвтектоидн. стали, кот. после закалки подвергаются отпуску при более высоких тем-рах с получ. структуры троостита или даже сорбита. Одна из главных хар-тик теплостойкость (красностойкость), т.е. сохранять высокую тв-ть при нагревании или сохранять устойчивость против отпуска при нагреве в процессе работы. Делятся на 3 группы: 1) углеродистые и легир. стали содерж. небольшое кол-во легир. эл-тов и необладающ. красностойкостью до 2000 (У7…У13, 9ХС); 2) легир. стали содерж. 0,6-0,7% С, 4-18% Cr, среднетеплостойкие, работают до 400-5000 (Х12, Х12М, 5ХНМ); 3) теплостойкие стали до 550-6500. это высоколегир. стали содерж. хром, ванадий, вольфрам, марганец, кобальт. Стали Л-ного класса наз. быстрорежущие (Р9, Р18, Р9К5). Твердые сплавы – металлокерамические материалы получ. методом порошковой металлургии – победит. t=8000. Сплавы 3 группы: 1) вольфрамовая группа – карбид вольфрама + кобальт (WC+Co) (ВК3, ВК10, ВК20); 2) TiC+WC+Co – (Т15К6); 3) TiC+TaC+WC+Co – (ТТ7К12). Иногда в конце марки буква: М – корбид вольфрама мелкий; В – крупнозернистый порошок; ОМ – особомелкий; ВК – особокрупный. Широко прим. пластинки без W. ТН20. Основа TiC и молибден (роль связки) 20%. КНТ16 – карбонитрит титана. Иногда пластинки подвергают покрытию TiC. Стойкость увелич. в 3-4 раза. Широко прим. сверхтвердые материалы – минералокерамич. сплавы на основе Al, нитрита бора, карбонитрита бора, (Белбор композит 2, Гексонит Р композит 10). Для чистовой обработки прим. алмазы. Чаще искусственные, такие как: Борт, Баллас, Карбонадо. Теплостойкость до 8000 при тем-ре выше – графитизируются.

36. Классификация чугунов. Влияние формы выделений графита на свойства чугуна. Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном. При­сутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или гра­фита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий. 1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав Fe—Si—С, содержащий в качестве постоянных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная осо­бенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения ми­крошлифа форму пластинок. В зависимости от содержания углерода, связанного в цемен­тит, различают: 1. Белый чугун в котором весь углерод нахо­дится в виде цементита Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. 2. Половинчатый чугун, большая часть угле­рода (>0,8 %) находится в виде Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит . 3. Перлитный серый чугун структура чугуна— перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7—0,8 % С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.; 4. Ферритно-перлитный серый чугун. Структура такого чугуна - перлит, феррит и пластинча­тый графит. В этом чугуне в за­висимости от степени распада эвтектоидного цементита в связан­ном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С 5. Ферритный серый чугун. Структура — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита. При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производ­ственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассма­тривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры В этом случае механические свойства будут зависеть от количества величины и характера распределений включений графита Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных вы­делении, разделяющих его металлическую основу, имеет грубо­зернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными графитными выделениями обладает более высо­кими свойствами. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, времен­ное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Отно­сительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (~0,5 %). Графитные включения мало влияют на снижение пре­дела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и раз­рушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая на­грузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его струк­туры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, ра­ботающих на сжатие. 2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кри­сталлизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным кон­центратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферро­силицием.Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие ме­ханические свойства, не уступающие свойствам литой углероди­стой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обра­батываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % С 3. ковкий чугун Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы струк­туры чугуна. Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния

29. Влияние примесей.

 В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести,. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость.Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988^oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурахСера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме мм рт. ст.Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями. 

37. Алюминий и его сплавы

 Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.Алюминиевые сплавы.Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованныйПо технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой; литейные сплавы.Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП). Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.К таким сплавам относятся дюралюмины ( сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.Литейные алюминиевые сплавы.

 К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы

39. Магний и его сплавы

 Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см³. Температура плавления – 650^oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420^oС, старение при температуре 260…300^oС в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа.Деформируемые магниевые сплавы.Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360…520^oС). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1.Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.Литейные магниевые сплавы.Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300^oС.Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето- и ракетостроении.

43.Медь и ее сплавы

 Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083^oС. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).Механические свойства: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.Латуни.Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.В зависимости от состава имеются однофазные латуни, состоящие из– твердого раствора, и двухфазные.По способу изготовления изделий различают латуни деформируемые и литейные.Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы ( О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.Однофазные– латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “автоматной латунью”.Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется “морской латунью“.Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.Литейные латуни также маркируются буквой Л, После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве.К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.Бронзы Сплавы меди с другими элементами кроме цинка назаваются бронзами.Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показавающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э(), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в художественном литье.Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть.Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,15.В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение– твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфазные и состоят из– и– фаз.Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления– фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Дополнительное повышение прочности для сплавов с содержанием алюминия 8…9,5 % можно достичь закалкой.Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с оловянными:меньшая склонность к внутрикристаллической ликвации;большая плотность отливок;более высокая прочность и жаропрочность;меньшая склонность к хладоломкости.Основные недостатки алюминиевых бронз:значительная усадка;склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав;сильное газопоглощение жидкого расплава;самоотпуск при медленном охлаждении;недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.Для устранения этих недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители оловянных бронз. Они немагнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высококачественным пружинным материалом. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвергают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искусственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа.

42. Титан и его сплавы

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680^oС.Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.При температуре 882^oС титан претерпевает полиморфное превращение,–титан с ексагональной решеткой переходит в– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах ( не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500^oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:сочетание высокой прочности (МПа) с хорошей пластичностью ();малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;хорошая жаропрочность, до 600…700^oС;

высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 21.1.Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации— твердого раствора и называются–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации– твердого раствора и называются– стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.Кроме– и–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний. В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру. Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой.Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.Области применения титановых сплавов:авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);оборудование для обработки ядерного топлива;морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС).

45. Композиционные материалы

 Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе компонентов.По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нуль-мерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя.Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов.Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300^oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т_пл.Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения к.п.д. тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al₂O₃), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680^oС выше 700 МПа).Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650^oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

40. Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы.

 Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).Сплавы на основе железа при температурах выше 570^oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).Степень легированости стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали показано на рис.20.2.Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC).Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.

 Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Прочность зависит от продолжительности испытаний.Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.Например = 200 МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре..Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации.НапримерМПа, где верхний индекс – температура испытания в^oС, первый нижний индекс – заданное суммарное удлинение в процентах, второй – заданная продолжительность испытания в часах. Классификация жаропрочных сталей и сплавов В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.Для работы в интервале температур 350…500^oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы.Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000^oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.Жаролрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.При рабочих температурах 500…700^oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600^oС.Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

41. Коррозия электрохимическая и химическая.

 Разрушение металла под воздействием окружающей среды называют коррозией.Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.Коррозия может быть химической и электрохимической.Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага.Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды.Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.Если количество ионов переходящих в раствор и осаждающихся на металле одинаково, то скорости растворения и осаждения металла равны и процесс коррозии (разрушения металла) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал.За нулевой потенциал принимают равновесный потенциал водородного иона в водном растворе при концентрации положительных ионов водорода, равной 1 моль ионов + на 1 литр.Стандартные потенциалы других элементов измерены по отношению к водородному потенциалу.Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.Уходящие ионы металла, взаимодействуя с ионами, образуют гидроксиды, нерастворимые в воде, которые называют ржавчиной, а процесс их образования – ржавлением. Гидроксид железа в присутствии кислорода, растворенного в воде, превращается в. Так как это нерастворимое соединение, то равновесный потенциал не может быть достигнут и коррозия будет продолжаться до полного разрушения.В зависимости от структуры коррозия имеет разное проявление: при однородном металле – коррозия происходит равномерно по всей поверхности. При неоднородном металле – коррозия избирательная и называется точечной. Это явление наиболее опасно, так как приводит к быстрой порче всего изделия. Избирательная коррозия создает очаги концентрации напряжений, что содействует разрушению.

Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде. При создании коррозионно-стойких сплавов – сплав должен иметь повышенное значение электрохимического потенциала и быть по возможности однофазным. Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавовКоррозионная стойкость может быть повышена, если содержание углерода свести до минимума, если ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы в таком количестве, при котором скачкообразно повысится электродный потенциал сплава.Важнейшими коррозионно-стойкими техническими сплавами являются нержавеющие стали с повышенным содержанием хрома: хромистые и хромоникелевые. На рис. 20.1 показано влияние количества хрома в железохромистых сплавах на электрохимический потенциал сплава.Рис 20.1. Влияние хрома на потенциал сплавов Хромистые стали.Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%).Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида.Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал.Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500^oС.Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.После закалки от температуры 1000^oC и отпуска при 700…750^oС предел текучести сталей составляет 1000 МПа.Термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.

Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450^o, предметов домашнего обихода.Стали аустенитного класса – высоколегированные хромоникелевые стали.Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита.Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.Хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100^oC в воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности = 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение = 35…45%.Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.Свойства сталей зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1 ). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150^oC и отпуск-старение при температуре 500…750^oC.

Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.

Кроме нержавеющих сталей в промышленности применяют коррозионно-стойкие сплавы – это сплавы на никелевой основе. Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. После термической обработки – закалки и старения при температуре 800^oС – сплавы имеют предел прочности МПа, и твердость. Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным

44. Материалы порошковой металлургии

 Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являютсявозможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);возможность получения материалов максимальной чистоты;

простота технологии порошковой металлургии.Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах. Пористые порошковые материалы Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06.Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500^oС.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200^oС, а материал в объеме – до 500…600^oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7.По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:а) основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600^oС, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200^oС;б) твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %.Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.Они могут работать при температурах от –273^oС до 900^oС, быть коррозионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит. Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм. Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор. Прочие пористые изделия. “Потеющие сплавы“ – материалы, через стенки которых к рабочей наружной поверхности детали поступает жидкость или газ. Благодаря испарению жидкости температура поверхности понижается (лопатки газовых турбин).Сплавы выпускаются на основе порошка нихроми с порами диаметром до 10…12 мкм при пористости 30 %. Сплавы этого типа используются и для решения обратной задачи: крылья самолетов покрывают пористым медно-никелевым слоем и подают через него на поверхность антифриз, препятствующий обледенению.Пеноматериалы – материалы с очень высокой пористьстью, 95…98 %. Например, плотность вольфрама 19,3 г/см³, а пеновольфрама – всего 3 г/см³. Такие материалы используют в качестве легких заполнителей и теплоизоляции в авиационной технике. Конструкционные порошковые материалы Спеченные стали. Типовыми порошковыми деталями являются кулачки, корпуса подшипников, ролики, звездочки распределительных валов, детали пишущих и вычислительных машин и другие. В основном это слабонагруженные детали, их изготавливают из порошка железа и графита. Средненагруженные детали изготавливают или двукратным прессованием – спеканием, или пропиткой спеченной детали медью или латунью. Детали сложной конфигурации (например, две шестерни на трубчатой оси) получают из отдельных заготовок, которые насаживают одну на другую с натягом и производят спекание. Для изготовления этой группы деталей используют смеси железо – медь – графит, железо – чугун, железо – графит – легирующие элементы.Особое место занимают шестерни и поршневые кольца. Шестерни в зависимости от условий работы изготавливают из железо – графита или из железо – графита с медью или легирующими элементами. Снижение стоимости шестерни при переходе с нарезки зубьев на спекание порошка составляет 30…80 %. Пропитка маслом позволяет обеспечить самосмазываемость шестерни, уменьшить износ и снизить шум при работе.Спеченные поршневые кольца изготавливают из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка (твердая смазка). Для повышения износостойкости делают двухслойные кольца: во внешний слой вводят хром и увеличивают содержание графита. Применение таких колец увеличивает пробег автомобильного двигателя, уменьшаеттего износ и сокращает расход масла.Высоколегированные порошковые стали, содержащие 20 % хрома и 15 % никеля, используют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах. Спеченные цветные металлы. Спеченный титан и его сплавы используют в виде полуфабрикатов (лист, трубы, пруток). Титановый каркас пропитывают магнием. Такие материалы хорошо обрабатываются давлением.Широко используются материалы на основе меди, например, изготавливают бронзо – графитные шестерни. Свойства спеченных латуней выше, чем литых, из-за большей однородности химического состава и отсутствия посторонних включений.Спеченные алюминиевые сплавы используют для изготовления поршней тяжело нагруженных двигателей внутреннего сгорания и других изделий, длительное время работающих при повышенных температурах, благодаря их повышенной жаропрочности и коррозионной стойкости.Керамикометаллические материалы (керметы) содержат более 50 % керамической фазы. В качестве керамической фазы используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали.Керметы отличаются высокими жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, прочностью. Они используются для изготовления деталей конструкций, работающих в агрессивных средах при высоких температурах (например, лопаток турбин, чехлов термопар). Частным случаем керметов являются твердые сплавы.

20. Виды термической обработки металлов.

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1 ).Различают следующие виды термической обработки:1. Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждениеРазновидностями отжига первого рода являются:диффузионный;рекристаллизационный;отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.