Текст книги "Материаловедение. Шпаргалка"

Автор книги: Елена Буслаева

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

25. Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа

Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения.

Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства. Работоспособность многих деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами конкретного изделия и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок. Основными показателями таких свойств служат параметры прочности, твердость и триботехнические характеристики. Они не являются «чистыми» константами материалов, но существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний, прежде всего скорости нагружения, температуры, воздействия сред и других факторов. Высокая твердость металла важна при изготовлении режущих изделий. Чаще всего для такого рода изделий используют инструментальные стали.

Прочность – свойство материалов сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал. Сила взаимодействия двух соседних атомов зависит от расстояния между ними, если пренебречь влиянием окружающих атомов.

Деформирование – изменение относительного расположения частиц в материале. Наиболее простые его виды: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг. Деформация – изменение формы и размеров образца или его частей в результате деформирования.

Предел пропорциональности – напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает некоторого значения, установленного техническими условиями.

Важными физическими свойствами материалов, которые учитываются при использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключительной ценности – ферро– и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и химическим составом материалов, температурой и давлением. Для большинства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

Физические свойства металлов – цвет, плотность, температура плавления, тепло– и электропроводность, способность намагничиваться и т. д. Медь, например, металл красного, а в изломе розового цвета; алюминий серебристо-белого цвета; свинец имеет светло-серый цвет. Важная характеристика физических свойств – электропроводность. Наибольшей (после серебра) электропроводностью обладает медь. Алюминий обладает низкой плотностью, поэтому детали из алюминия и сплавов на его основе широко применяют в автомобиле, тракторостроении. Медь и алюминий, обладающие высокой электропроводностью, используют для изготовления проводников (обмотки трансформаторов, линии электропередачи). Вес изделия или детали также играет важное значение и выступает в качестве главной характеристики.

26. Выбор сплавов для определенного назначения на основе анализа диаграмм состояния

Чистые металлы используют в электрорадиотехнике (проводниковые, электровакуумные). Основными

конструкционными материалами являются металлические сплавы. Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Псевдосплавы – сплавы, созданные путем спекания, возгонки, электролиза.

Металлические сплавы можно получать методом порошковой металлургии, диффузией и другими методами. Преимущественное использование в технике металлических сплавов объясняется тем, что они обладают более ценными, чем чистые металлы, комплексами механических, физических и технологических свойств. К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, компонент, фаза, вариантность.

Система – группа тел, выделяемых для наблюдений и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой системой. Сплавы состоят из двух или большего числа компонентов и являются сложными системами.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в меньшем числе. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком. Например, при кристаллизации чистого металла в системе имеются две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). В твердых сплавах фазами могут быть зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Вариантность – число внутренних и внешних факторов, изменение которых можно производить при постоянном количестве фаз в системе.

Все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла. Благодаря указанному взаимодействию на практике с целью равномерного распределения веществ в сплаве, как правило, прибегают к их расплавлению. Только лишь очень немногие металлы, главным образом сильно различающиеся размерами атомов, не растворяются в жидком состоянии. Также немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая форма взаимодействия возникает при большом различии в свойствах входящих в сплав металлов.

Другой формой взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава, является образование твердых растворов.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твердом растворе так же, как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе – растворимым. В зависимости от характера распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.

Твердые растворы также делятся в зависимости от степени растворимости компонентов на растворы с ограниченной растворимостью компонентов и с неограниченной растворимостью.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто пользуются методом термического анализа. Экспериментальная сущность этого метода заключается в следующем. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов.

Существуют сплавы – механические смеси, которые образуются в случае невозможности растворения компонентов, находящихся в твердом состоянии. Данные компоненты не могут создать соединения посредством химической реакции. Механические смеси включают элементы, обладающие разными свойствами и строением. В состав сплава включены кристаллы компонентов, которые образуют кристаллические решетки.

Химические соединения – сплавы, которые образуются из разных элементов, содержащих разнородные атомы, между которыми сила взаимодействия значительно выше, чем между однородными атомами.

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре

Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими материалами. Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Чистое железо – это серебристо-светлый металл, практически не подверженный окислению. Атомный номер 26, атомный вес 55,85. Технически чистое железо содержит 0,10-0,15 % всех примесей. Свойства железа зависят от степени его чистоты. Температура плавления – 1539 °C, плотность – 7,85 г/см³. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью и хорошей пластичностью. Чистое железо меньшей прочности, чем чугун или сталь.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.

При растворении углерода в железе образуются твердые растворы. Феррит – раствор, получаемый при растворении углерода в низкотемпературной модификации железа. Характеризуется низкой твердостью и повышенной пластичностью. Углерод, растворяясь в высокотемпературной модификации железа, образует пластичный аустенит.

Углерод в природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза, который имеет сложную кубическую решетку, и в форме графита, имеющего простую гексагональную решетку.

Цементит – карбид железа, содержащий 6,67 % углерода. Хрупкий и твердый. В том случае, если в металле присутствует большое количество кремния, образование цементита не происходит. В данном случае углерод преобразовывается в графит (серый чугун).

Содержание углерода в диаграмме Fе – С (цементит) ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрация образуется химическое соединение – карбид железа (Fе_зС) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Система Ре – Fе₃С метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539 °C) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500 °C) – температуре плавления цементита, точки N (1392 °C) и G (910 °C) соответствуют полиморфному превращению.

Железоуглеродистые сплавы – это стали и чугуны, которые являются основными материалами, используемыми в машиностроении и современной технике.

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.

Стали сочетают высокую жесткость со статической и циклической прочностью. Эти параметры меняют за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, получают стали с различными свойствами и используют их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, которая предназначена для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °C) деформирования.

Стали классифицируют по качеству на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Качество стали – это совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными. По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

28. Конструкционные и инструментальные углеродистые стали. Маркировка, применение

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Марки сталей обыкновенного качества Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, листы, трубы. Стали применяют в строительстве для сварных и болтовых конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Стали Ст5 и Ст6, имеющие более высокое содержание углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Выплавление качественной углеродистой стали производится при соблюдении строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,…, 85, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали имеют высокую прочность и высокую пластичность. Стали, не обработанные термически, применяются для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0.3–0.5 % С) 30, 35, …, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. Эти стали имеют высокую прочность при более низкой пластичности, их применяют для изготовления небольших или крупных деталей, не требующих сквозной прокаливаемости. Стали с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, износостойкостью. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, замковые шайбы, прокатные валки.

Конструктивная прочность – это комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность – это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов.

Учитываются четыре критерия: прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции. Прочность – способность тела сопротивляться деформациям и разрушению.

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции и сохранять свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка времени. Надежность конструкции – это ее способность работать вне расчетной ситуации. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры, условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от условий ее работы (это сопротивление износу при трении и контактная прочность, сопротивление материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со скольжением).

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства для инструмента – износостойкость и теплостойкость. Для износостойкости инструмента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения формы инструмента сталь должна быть прочной, твердой и вязкой. От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента. Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.

Производятся (ГОСТ 1435-74) качественные (У7, У8, У9) и высококачественные – (У7А, У8А, У9А) углеродистые стали. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187–217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при 275–350 °C на тростит; так как они более вязкие, то их используют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11, У12 подвергают неполной закалке. Инструмент этих марок обладает повышенной износостойкостью и высокой твердостью.

Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, сверла) и штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200 °C (отсутствие теплостойкости). Инструмент из этих сталей применяют для обработки мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

29. Белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны
Формирование микроструктуры, свойства, маркировка и применение

Чугун – это сплав железа с углеродом. Чугун содержит углерод – 2,14 % и более дешевый материал, чем стали. Он обладает пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Из чугунов можно делать отливки более сложной формы, чем из сталей. Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть дефекты: пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины.

Белый чугун имеет свое название по виду излома матово-белого цвета. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения протекают согласно диаграмме состояния (Fе – Fе_зС). Белые чугуны в зависимости от содержания углерода бывают: доэвтектическими (перлит + ледебурит); эвтектическими (ледебурит); заэвтектическими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны имеют большую твердость из-за содержания цементита; они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12–30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина – серого чугуна. Высокая твердость поверхности позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и других деталей.

Белые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояния системы сплавов железо – цементит. Значительное содержание твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке. Они применяются для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, а также для отливки прокатных валков и вагонных колес.

Серый чугун (технический) название получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита и его свойства зависят от этих двух составляющих. Графит обладает низкими механическими свойствами.

При медленном охлаждении сплавов железо – углерод происходит выделение графита.

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, который состоит из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит. Весь углерод в виде графита выделяется при очень медленном охлаждении сплава; если скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит. Чугун, содержащий до 1,2 % фосфора, применяется для художественного литья, труб.

Маркировка серого чугуна. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел: первое число указывает предел прочности при растяжении (σ_пч) второе – удлинение (σ) в%. Половинчатый чугун состоит из перлита, ледебурита и пластинчатого графита. Сочетает в себе два цвета – серый и белый.

Высокопрочный чугун – это чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Повышение прочности и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального) графита вместо пластинчатого. Поверхность графита сфероидальной формы имеет меньшее отношение к объему и определяет наибольшую сплошность металлической основы и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (М) или церия (Се).

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную основу. Ферритный чугун имеет повышенную пластичность.

По ГОСТ чугун обозначают числами: первое число указывает предел прочности при растяжении (σ_пч), второе – удлинение (σ) в%. Еще более высокая прочность достигается при модифицировании легированного чугуна.

Высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках при повышенных и высоких давлениях; коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна для изготовления задних мостов-автомобилей.

Ковкий чугун – чугун с хлопьевидным графитом, условное название мягкого и вязкого чугуна, который получают из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, он обладает высокой пластичностью. Ковкий чугун состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита. Графит находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга и металлическая основа менее разобщена, а сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью.

Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но они определяются структурой его металлической основы, которая может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки получают два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосердечный. Ковкий чугун более дешевый материал, он обладает хорошими механическими свойствами и применяется в сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, вагоностроении, станкостроении.