ПЕРЕДМОВА

1. Бубенников А.В., Громов М.Я. Начертательная геометрия. М.: Высшая школа, 1973. – 243с., ил.

2. Гордон В.О., Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии: Учеб. Пособие/Под ред. Ю.Б. Иванова. – 23 изд., перераб.–М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1988. – 272 с., ил.

3. Фролов С.А. Начертательная геометрия: Учеб. для вузов. – 2-е изд.,перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. – 240 с., ил.

4. Чекмарев А.А. Инженерная графика: Учеб. для машиностроит. спец. вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. Шк., 1998. – 365 с., ил.

Глава 1. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

ВЫБОР МАТЕРИАЛА для нового изделия начинается с определения свойств, которыми он должен обладать; отдельные требования могут содержаться в техническом задании на разработку

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ — экономические, экологические, технологические и эксплуатационные

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА — физические, химические и механические

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — прочность, упругость, твердость, надежность, долговечность…

1.1. Технологические свойства МАТЕРИАЛОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА указывают на возможность обработки материала литьем, резанием, давлением, сваркой; технологические свойства: жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, технологическая пластичность, свариваемость, закаливаемость, прокаливаемость и др.

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ — способность жидкого металла качественно заполнять литейную форму; металлы с хорошей жидкотекучестью (например, чугуны) позволяют получать крупные фасонные отливки (станины, коленчатые валы); из металлов с плохой жидкотекучестью (например, сталей) можно получить только простые отливки, которые затем обрабатывают резанием или давлением

ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ определяется стойкостью металлорежущего инструмента, легкостью отвода стружки из зоны резания и чистотой получаемой поверхности

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ — комплексная характеристика, определяющая способность металла к деформированию в конкретных условиях (температура, напряженное состояние)

СВАРИВАЕМОСТЬ определяется прочностью сварного шва; у металлов с хорошей свариваемостью (строительные стали) прочность шва высокая, сваривать их легко; у металлов с плохой свариваемостью (чугуны) шов непрочный, сваривать их трудно

ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ — способность сплава увеличивать прочность и твердость при закалке; сплавы с плохой закаливаемостью (низкоуглеродистые стали) при закалке не упрочняются; сплавы с хорошей закаливаемостью (высокоуглеродистые стали) при закалке упрочняются сильно

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ — способность сплава закаляться на определенную глубину; прокаливаемость углеродистых сталей не превышает 12 мм, у легированные сталей она намного больше

1.2. Физические свойства МАТЕРИАЛОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — плотность, температура плавления, удельное электросопротивление…

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПЛОТНОСТИ металлы делят на лёгкие (до 5 т/м³) и тяжёлые; лёгкие металлы: Li (0,5 т/м³), Mg (1,7 т/м³), Be (1,85 т/м³), Al (2,7 т/м³); тяжёлые металлы: Au и W (> 19 т/м³), Re и Pt (> 21 т/м³) Os и Ir (> 22 т/м³)

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ металлы делят на легкоплавкие и тугоплавкие; легкоплавкие металлы: Hg (−39°С), Sn (232°С), Pb (327°С), Zn (419°С); тугоплавкие металлы: Pt (1769°С), Mo (2623°С), Os (3027°С), Re (3170°С), W (3380°С)

УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ — сопротивление образца длиной 1 м и площадью 1 м²; у проводников r < 10⁻⁵ Ом×м, у полупроводников r = 10⁻⁵–10⁸ Ом×м, у диэлектриков r > 10⁸ Ом×м; малое удельное сопротивление имеют Ag, Cu, Au, Al

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА — магнитная проницаемость, величина магнитострикционного эффекта…

НАМАГНИЧЕННОСТЬ МАТЕРИАЛА J = (µ − 1) H, где H — напряженность внешнего магнитного поля, µ — магнитная проницаемость материала; в зависимости от величины µ материалы делят на диамагнитные (µ ≤ 1 — медь, золото), парамагнитные (µ ≥ 1 — алюминий, платина), ферромагнитные (µ >> 1 — железо, никель, кобальт), ферримагнитные (µ >> 1 — ферриты) и антиферромагнитные (µ ≥ 1 — хром); в отсутствие поля намагниченность сохраняют только ферро- и ферримагнетики

МАГНИТОСТРИКЦИЯ — изменение размеров ферромагнетика при намагничивании; используется для преобразования изменений магнитного поля в механические колебания и наоборот; это основной метод получения гиперзвуковых колебаний; большая магнитострикция у никеля

1.3. Химические свойства МАТЕРИАЛОВ

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — коррозионная стойкость, жаростойкость, кислотостойкость…

КОРРОЗИЯ — разрушение металлов окружающей средой; электрохимическая коррозия возникает под воздействием электролитов (растворов солей, кислот или щелочей); химическая коррозия вызывается воздействием раскаленных газов и нефтепродуктов

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ зависит от электрохимического потенциала металла и от его склонности к пассивации; наиболее устойчивы электроположительные благородные металлы и медь

ПАССИВАЦИЯ — образование на поверхности металла окисной пленки, защищающей его от дальнейшего окисления; на воздухе пассивируются титан, алюминий, никель и другие металлы

ЖАРОСТОЙКОСТЬ или ОКАЛИНОСТОЙКОСТЬ — способность металла сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах; образование окалины (окислов) особенно неприятно в трубах

1.4. Прочность МАТЕРИАЛОВ

ПРОЧНОСТЬ — способность материала противостоять разрушению; различают статическую, динамическую, удельную, усталостную и конструкционную прочность, а также жаропрочность

РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛА может быть вязким, хрупким, смешанным и усталостным; вязкий излом волокнистый, ему предшествует пластическая деформация; хрупкий излом кристаллический, он развивается внезапно; смешанный излом имеет зону как вязкого, так и хрупкого разрушения; усталостный излом вызывается циклическими нагрузками, в металле развивается трещина

СПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛА ПРОТИВОСТОЯТЬ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ определяет его надежность; одним из критериев надежности является порог хладноломкости (температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому); ниже этой температуры металл становится хрупким и ненадежным

СТАТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ характеризует сопротивление материала постоянным или медленно изменяющимся нагрузкам; показатели: временное сопротивление и предел текучести материала

ВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ — напряжение, разрушающее материал; его называют также пределом прочности, оно зависит от напряженного состояния (растяжение, сжатие, изгиб)

ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ бывает физический и условный; физический предел текучести — напряжение, при котором начинается неограниченная пластическая деформация материала; условный предел текучести — напряжение, после снятия которого остаточная деформация образца 0,2%

ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ характеризует сопротивление материала ударным нагрузкам; критерии динамической прочности — ударная вязкость и относительное удлинение (пластичность)

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ — удельная работа разрушения образца ударом; ее обозначают KCU, KCV или KCT; чем больше ударная вязкость, тем надежнее материал; прочные, но хрупкие материалы (закаленные стали, керамика, стекло) имеют низкую вязкость, они ненадежны в эксплуатации

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ определяют при испытаниях материала на растяжение; образец из пластичного металла сильно удлиняется перед разрывом, такой металл надежен в эксплуатации

УДЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ — свободная длина стержня, при которой он разрывается под действием собственного веса; равна временному сопротивлению материала, деленному на его удельный вес; основной критерий при выборе легких и прочных материалов для авиации и космоса

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ характеризует сопротивление металла циклическим нагрузкам; многократно повторяющиеся нагрузки вызывают усталость металла, проявляющуюся в деградации его структуры и свойств; критерий усталостной прочности — предел выносливости металла

ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ — напряжение, которое металл может выдержать базовое число циклов; стандартное базовое число для черных металлов 10⁷, а для цветных — 10⁸; чем больший ресурс конструктор закладывает в деталь, тем меньшее допустимое напряжение он задает в расчетах

КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ — комплексная характеристика, учитывающая как свойства материала, так и условия эксплуатации изделия: особенности его нагружения, влияние среды

ЖАРОПРОЧНОСТЬ — способность металла сохранять прочность при нагреве; критерии жаропрочности — условный предел ползучести и предел длительной прочности материала

ПОЛЗУЧЕСТЬ — медленная деформация нагретого металла под действием статической нагрузки, разрушающая материал; вынуждает ограничивать не только нагрузку, но и время ее воздействия

УСЛОВНЫЙ ПРЕДЕЛ ПОЛЗУЧЕСТИ — напряжение, вызывающее определенное удлинение образца за некоторое время при заданной температуре

ПРЕДЕЛ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ — напряжение, разрушающее образец за определенное время при заданной температуре; при отсутствии ползучести равно временному сопротивлению металла

1.5. Упругость и жесткость МАТЕРИАЛОВ

УПРУГОСТЬ — способность материала восстанавливать форму (для твердых тел) или объем (для жидкостей и газов) после снятия нагрузки; критерии упругости материала: предел упругости, модуль упругости, величина упругой деформации

ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ — напряжение, после снятия которого остаточная деформация образца равна 0,002%; предел упругости определяют при испытаниях материала на растяжение

УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ — часть общей деформации, исчезающая после снятия нагрузки; у упругих материалов (например, у некоторых резин) упругая деформация может достигать 500%

ЖЕСТКОСТЬ — способность противостоять упругим деформациям; определяется модулем упругости материала; жесткость конструкции зависит не только от материала, но и от ее особенностей

УДЕЛЬНАЯ ЖЕСТКОСТЬ — модуль упругости, деленный на удельный вес материала; эта характеристика используется там, где важно получить не только жесткую, но и легкую конструкцию

1.6. Твердость МАТЕРИАЛОВ

ТВЕРДОСТЬЮ называют способность материала противостоять внедрению стального или алмазного индентора (когда-то за неимением других средств измерения в металл вдавливали собственный зуб); твердые материалы обладают высокой износостойкостью при трении, из них делают режущий инструмент; твердость материала можно приблизительно оценить по шкале Мооса или измерить более точно на специальных твердомерах статическими и динамическими методами

МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ ШКАЛА ТВЁРДОСТИ МООСА представляет собой набор эталонных минералов (от талька до алмаза) для определения твёрдости методом царапания; графит — 1; золото и серебро — 3, вольфрам (самый твердый металл) — 6; сапфир и карбид вольфрама — 9; эльбор — 10

СТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ основаны на вдавливании различных по форме инденторов в образец и измерении размеров полученного отпечатка: чем меньше отпечаток, тем тверже материал; испытания материалов на статическую твердость проводят методами Бринелля (HB, внедряют стальной закаленный шарик), Роквелла (HRC, внедряют алмазный конус) или Виккерса (HV, внедряют алмазную пирамидку)

ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ основаны на измерении высоты отскока падающего бойка от исследуемого образца (метод Шора) или регистрации процесса затухания ультразвуковых колебаний в материале (в твердых материалах звук распространяется дальше и быстрее); динамические методы не оставляют отпечатка на образце

1.7. Износостойкость МАТЕРИАЛОВ

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ характеризует сопротивление материала отрыву частиц с его поверхности; она зависит от состава, структуры, твердости, чистоты поверхности, наличия смазки и триботехнических свойств контактной пары; меньше изнашиваются пары с хорошей прирабатываемостью

ПРИРАБАТЫВАЕМОСТЬ трущихся поверхностей представляет собой начальную стадию износа; она определяется временем, необходимым для снижения коэффициента трения между контактирующими материалами; обычно хорошо прирабатывается мягкий металл к твердому (например, пара чугун–бронза), а вот два твердых металла (например, пара чугун–сталь) прирабатываются плохо, такой контакт нежелателен, грамотный конструктор его избегает

Глава 2. СОСТОЯНИЯ, СОСТАВ И СТРУКТУРА МАТЕРИАЛОВ

2.1. Состояния материалов

СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ КЛАССИФИЦИРУЮТ по термодинамическому потенциалу, по прочности связей между атомами и по степени их упорядоченности (аморфное и кристаллическое состояния)

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ различаются потенциалом Гиббса G = H–ST, где H — энтальпия, S — энтропия, Т — температура; равновесное, неравновесное и метастабильное состояния

В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ потенциал Гиббса минимален; материал имеет низкую прочность и твердость при высокой пластичности и вязкости; получают его медленным охлаждением (отжигом)

НЕРАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ характеризуется быстро изменяющимся потенциалом Гиббса; в таком состоянии находится металл а процессе плавления или кристаллизации

МЕТАСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ характеризуется большим и относительно стабильным потенциалом Гиббса; прочность и твердость металлов в таком состоянии высокая, а пластичность и вязкость — низкая; получают это состояние быстрым охлаждением; пример — закаленная сталь

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ различаются прочностью межатомных связей; каждое из них термодинамически равновесно в определенном интервале температур и давлений; всего их пять

КОНДЕНСАТНОЕ СОСТОЯНИЕ равновесно при температурах, близких к абсолютному нулю; почти неподвижные при таких температурах атомы образуют квантовый конденсат, обладающий рядом необычных свойств (сверхтекучесть, сверхпроводимость и другие)

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ равновесно ниже температуры плавления материала; прочность межатомных связей в твердых телах большая, поэтому они сохраняют как форму, так и объем

ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ равновесно от температуры плавления до температуры кипения материала; атомы в жидкости связаны слабо, поэтому она сохраняет только объем, а форму не сохраняет

ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ равновесно выше температуры кипения; атомы газа почти не связаны между собой, поэтому он не сохраняет даже объем (занимает все доступное пространство)

ПЛАЗМА — полностью или частично термически ионизированный газ; плазма термодинамически равновесна при очень высоких температурах, это основное состояние вещества во Вселенной

В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ атомы вещества упорядочены и образуют кристаллическую решетку; кристаллы имеют определенную температуру плавления, они анизотропны (их свойства зависят от направления) и, часто, полиморфны (меняют тип решетки при изменении условий)

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА характеризуется типом элементарной ячейки, периодом (расстоянием между атомными плоскостями), координационным числом (числом ближайших соседей атома в решетке) и компактностью (отношением объема атомов в ячейке к объему всей ячейки)

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЯЧЕЙКИ МЕТАЛЛОВ — объемноцентрированная кубическая (ОЦК, компактность 68%); гранецентрированная кубическая (ГЦК, 74%); гексагональная плотноупакованная (ГП, 74%)

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ бывают точечные (вакансии и межузельные атомы), линейные (дислокации), поверхностные и объемные (поры, включения); наличием дефектов в кристаллической решетке объясняется значительное различие в прочности идеальных и реальных кристаллов

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ — монокристаллы (крупные кристаллы с непрерывной решеткой), поликристаллы (состоят из мелких кристалликов-зерен) и жидкие кристаллы (состоят из упорядоченных удлиненных молекул, ориентацию которых можно изменять электрическим полем)

АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ характеризуется почти хаотическим расположением атомов, изотропией свойств и отсутствием определенной температуры плавления (при нагреве размягчаются постепенно); аморфно большинство жидкостей и некоторые твердые тела (их называют стеклами)

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА получают быстрым охлаждением расплава, кристаллы образоваться не успевают; такие аморфные металлы износостойки, коррозионностойки, жаростойки и метастабильны (при нагреве кристаллизуются); их получают в виде аморфных гранул, ленты, фольги, микропроволоки; массивные изделия могут иметь аморфную структуру лишь на поверхности

2.2. Состав материалов

МАТЕРИЯ, как известно, существует в виде дискретной (вещество) и непрерывной (поле) форм; наличие состава и структуры у материалов является следствием дискретности вещества, состоящего из связанных между собой частиц различной природы: атомов, молекул, кристаллов

АТОМЫ состоят из ядра и электронной оболочки; число протонов в ядре определяет принадлежность атома к какому-либо химическому элементу, а число нейтронов определяет изотоп атома; заряженный атом, в котором число протонов и электронов не совпадает, называют ионом

ИЗОТОПЫ могут быть стабильными и радиоактивными; природные элементы состоят из смеси изотопов; обычно углерод имеет атомную массу 12 (по шесть протонов и нейтронов), но существуют изотопы с массой 13 (семь нейтронов, стабилен) и 14 (восемь нейтронов, радиоактивен)

МОЛЕКУЛЫ химических элементов состоят из одинаковых атомов, а молекулы химических соединений — из разных, называемых компонентами соединения

КРИСТАЛЛЫ химических элементов состоят из одинаковых атомов, а кристаллы химических соединений и твердых растворов — из разных, называемых компонентами соединения или раствора

СОСТАВ МАТЕРИАЛА — химический (атомарный, молекулярный, изотопный) и фазовый

ФАЗА — однородная область в неоднородном материале; фаза может быть газообразная (поры), жидкая или твердая (аморфная и кристаллическая); кристаллическая фаза — колония одинаковых по составу кристаллов твердого раствора, химического элемента или химического соединения

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ материала зависит от его химического состава и от внешних воздействий на материал (термообработка); изменяется он посредством внутренних фазовых превращений

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ поддерживают термодинамическое равновесие; они осуществляются за счет диффузии (медленно) или посредством фазовых переходов (быстро)

ДИФФУЗИЯ — хаотическое тепловое перемещение атомов и молекул внутри материала

ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД — быстрое бездиффузионное превращение неравновесной фазы в равновесную; переходы первого рода сопровождаются выделением тепла (кристаллизация, конденсация) или его поглощением (плавление, кипение, испарение, сублимация); переходы второго рода тепловым эффектом не сопровождаются (парамагнетик–ферромагнетик, проводник–сверхпроводник)

2.3. Структура материалов

СТРУКТУРА МАТЕРИАЛА определяется взаимным расположением образующих его частиц и типом связей между ними; сплавы обычно состоят из твердых растворов и химических соединений

СТРУКТУРА ТВЕРДОГО РАСТВОРА характеризуется взаимным расположением атомов различных компонентов в кристаллической решетке; в растворах внедрения атомы растворенного компонента находятся между узлами кристаллической решетки компонента-растворителя, в растворах замещения атомы растворенного компонента находятся в некоторых узлах решетки, а в растворах вычитания кристаллическая решетка имеет пустые узлы, не занятые атомами

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ во многом зависит от типа химических связей между узлами решетки; твердые кристаллы бывают молекулярные, ионные, ковалентные и металлические

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ связаны лишь слабыми электростатическими силами Ван-дер-Ваальса; такие кристаллы образуют инертные газы, многие полимеры и биополимеры, вода; все остальные кристаллы связаны значительно более прочными межатомными взаимодействиями

В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ атомы попарно перераспределяют свои валентные электроны

В КОВАЛЕНТНЫХ КРИСТАЛЛАХ атомы попарно обобщают свои валентные электроны; такие кристаллы прочны, тверды и прозрачны: алмаз, кремний, германий

В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ атомы обобщают все свои валентные электроны, которые образуют электронный газ; возникает электрическая связь между положительно заряженными ионами, находящимися в узлах решетки, и электронным газом, заполняющим весь объем кристалла

2.4. Методы исследования материалов

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ заключается в определении химического состава материала; различают качественный и количественный химический анализ

КАЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ показывает, из каких атомов и молекул состоит материал, но не определяет их содержания; например: сплав содержит железо, углерод, никель и хром

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ определяет содержание различных атомов и молекул в материале

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ заключается в визуальном исследовании структур металлов при разных увеличениях; различают макроанализ, микроанализ и анализ наноструктур

МАКРОАНАЛИЗ — исследование структуры с помощью лупы (увеличение до 40 раз) позволяет определить размер и форму зерен, наличие текстуры, пористости и посторонних включений

ТЕКСТУРА — преимущественная ориентация зерен в определенных плоскостях или направлениях

МИКРОАНАЛИЗ — изучение структуры микрошлифа с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500 раз) позволяет определить размер, форму и характер взаимного расположения фаз

МИКРОШЛИФ — тщательно отшлифованный, отполированный до зеркального блеска и протравленный реактивами образец; только после такой обработки можно увидеть микроструктуру металла

АНАЛИЗ НАНОСТРУКТУР проводят с использованием электронных или рентгеновских лучей

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ бывают оптические и электронные; разрешение оптического микроскопа не превышает 200 нм, оно ограничено волновой природой света; разрешение растрового электронного микроскопа, сканирующего образец электронным лучом, достигает 1 нм; наибольшей разрешающей способностью (до 0,2 нм) обладает просвечивающий электронный микроскоп, но для него нужна очень тонкая фольга, которую не всегда можно получить

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ основан на дифракции рентгеновских лучей в кристалле; он определяет тип и параметры кристаллической решетки, наличие и плотность дефектов в ней

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА — термический, дилатометрический, резистометрический и др.

ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ заключается в построении кривой охлаждения, по которой затем определяют температуры фазовых превращений первого рода

КРИВАЯ ОХЛАЖДЕНИЯ — зависимость температуры от времени при свободном охлаждении образца; фазовым превращениям первого рода соответствуют горизонтальные участки на кривой

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ заключается в построении дилатометрической кривой, по которой затем определяют температуры фазовых превращений первого и второго рода

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКАЯ КРИВАЯ — зависимость длины образца от его температуры; фазовые превращения сопровождаются изменением длины образца, связанным с изменением типа решетки

РЕЗИСТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ основан на регистрации изменений электросопротивления при фазовых превращениях в материале; позволяет определить температуры этих превращений

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ проводят на прочность, ударную вязкость, выносливость, твердость

ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ заключается в построении кривой растяжения, по которой затем определяют пределы упругости и текучести материала, его временное сопротивление

КРИВАЯ РАСТЯЖЕНИЯ — зависимость деформации образца от напряжения в нем; самая верхняя точка на этой кривой соответствует временному сопротивлению материала (пределу прочности)

ИСПЫТАНИЕ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ заключается в построении кривой усталости, по которой затем определяют предел выносливости и другие показатели усталостной прочности материала

КРИВАЯ УСТАЛОСТИ — зависимость разрушающего напряжения от числа циклов нагружения; она показывает, как быстро уменьшается допустимая нагрузка на материал с ростом расчетного числа циклических нагружений; для черных металлов по кривой усталости можно определить напряжение, которое материал может выдержать практически неограниченное число циклов; для цветных металлов такого напряжения не существует, хотя их выносливость обычно выше

Глава 3. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

МЕТАЛЛ — поликристаллический материал, состоящий из прочно связанных между собой мелких кристаллов-зерен; металлы обладают рядом схожих свойств: у них высокая тепло- и электропроводность, хорошая пластичность и отражающая способность, они склонны к электронной эмиссии

3.1. Кристаллизация металлов

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ — фазовый переход первого рода, протекающий с выделением тепла; различают первичную и вторичную кристаллизацию; крупные первичные кристаллы выпадают из жидкости или газа; мелкие вторичные кристаллы образуются из первичных при дальнейшем охлаждении металла; происходит это из-за переменной растворимости компонентов в твердых растворах

ПЕРЕМЕННАЯ РАСТВОРИМОСТЬ — зависимость взаимной растворимости компонентов раствора от температуры; излишки растворенного компонента при охлаждении диффундируют на поверхность первичных кристаллов, где образуют колонии вторичных кристаллов (вторичные фазы)

ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕРНА начинается с появления в жидком металле центров кристаллизации; для начала этого процесса расплав необходимо охладить ниже температуры плавления металла

РОСТ ЗЕРНА происходит по дендритной схеме: сначала в жидкости прорастают оси первого порядка, затем от них ответвляются оси второго порядка; участки между осями кристаллизуются последними, они пересыщены тугоплавкими включениями: так образуется дендритная ликвация

РАЗМЕР ЗЕРЕН зависит от скорости образования зародышей, скорости их роста и наличия в расплаве специально введенных модификаторов; чем меньше зерно, тем качественнее металл

ФОРМА ЗЕРЕН зависит от модификаторов и от направления отвода тепла в литейной форме; при направленном теплоотводе вырастают вытянутые зерна и в слитке формируется текстура

ДЕФЕКТЫ СЛИТКА — усадочная раковина, пористость, ликвация, текстура

УСАДОЧНАЯ РАКОВИНА образуется в верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь; под ней металл рыхлый, пористый; эту часть отрезают и отправляют на переплавку

ЛИКВАЦИЯ — химическая или структурная неоднородность металла, ухудшающая его качество; при литье может образоваться зональная и гравитационная ликвация

ЗОНАЛЬНАЯ ЛИКВАЦИЯ — неоднородность слитка по отдельным зонам

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИКВАЦИЯ образуется из-за разности плотностей жидкой и твердой фазы; появляющиеся кристаллы тонут или всплывают в жидком металле и слиток становится неоднородным; гравитационная ликвация наблюдается в сплавах олова с сурьмой, меди со свинцом

3.2. Основы теории сплавов

СПЛАВ — металлический материал, полученный кристаллизацией жидкого раствора; элементы, образующие сплав, называют его компонентами; в зависимости от их числа различают двойные, тройные и др. сплавы; структура сплавов зависит от числа компонентов и наличия у них полиморфных превращений, от их способности образовывать химические соединения и твердые растворы

СПЛАВЫ С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ всегда гомогенны, их компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и близкие размеры атомов: Au-Ag-Cu, W-Mo

СПЛАВЫ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ могут быть, в зависимости от их состава, как гомогенными, так и гетерогенными: Fe–C, Fe–Ni, Cu–Zn

СПЛАВЫ С НЕРАСТВОРИМЫМИ КОМПОНЕНТАМИ всегда гетерогенны, они имеют многофазную структуру, состоящую из зерен разного состава, группирующихся в отдельные колонии-фазы

СТРУКТУРА СПЛАВОВ формируется при охлаждении в результате ряда последовательных фазовых превращений; при медленном охлаждении образуется равновесная структура; ускоренное охлаждение приводит к образованию метастабильных структур с различной степенью устойчивости

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СПЛАВАХ осуществляются либо за счет медленного диффузионного перемещения атомов, либо посредством быстрых изотермических фазовых превращений

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ сопровождаются сильным тепловыделением, поддерживающим температуру сплава постоянной до полного их завершения; всего таких превращений пять: перитектическое, эвтектическое, монотектическое, эвтектоидное и перитектоидное

ПЕРИТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ — совместная кристаллизация твердой и жидкой фазы; в результате образуется перитектика — новая твердая фаза, отличная по составу от уже имевшейся

ЭВТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ заключается в образовании эвтектики из жидкой фазы

ЭВТЕКТИКОЙ называют хрупкую и легкоплавкую смесь фаз, кристаллизующихся одновременно; сплавы с эвтектикой называют литейными, у них хорошая жидкотекучесть и плохая пластичность; сплавы без эвтектики называют деформируемыми, они относительно пластичны, но льются плохо

МОНОТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ заключается в распаде жидкой фазы на твердую и жидкую

ЭВТЕКТОИДНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ заключается в образовании эвтектоида из твердой фазы

ЭВТЕКТОИД — прочная смесь нескольких твердых фаз, образующихся одновременно

ПЕРИТЕКТОИДНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ — образование твердого раствора из двух твердых фаз

ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА связывает число степеней свободы термодинамической системы С, количество компонентов К в ней и число одновременно сосуществующих при определенных условиях фаз Ф соотношением С = К − Ф + 1; так, для двойных сплавов (К = 2) возможны три варианта:

• С = 0 (Ф = 3) — в сплаве протекает изотермическое фазовое превращение, сопровождающееся мощным тепловыделением; металл сохраняет свою температуру до полного завершения этого превращения; на кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок
• С = 1 (Ф = 2) — в сплаве протекают фазовые превращения, сопровождающиеся тепловыделением; металл медленно остывает, наклон кривой охлаждения относительно невелик
• С = 2 (Ф = 1) — фазовых превращений и тепловыделения нет; сплав быстро остывает, наклон кривой охлаждения максимальный, он определяется лишь теплообменом со средой

3.3. Диаграммы состояния двойных сплавов

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ — графическое изображение равновесных структур двойной системы компонентов A–B в зависимости от содержания этих компонентов (горизонтальная ось) и температуры (вертикальная ось); такие диаграммы называют фазовыми диаграммами

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ПОЗВОЛЯЕТ определить равновесный фазовый состав любого сплава, представить последовательность формирования его структуры, узнать температуру начала и окончания кристаллизации, найти оптимальные режимы термической обработки и горячей пластической деформации, оценить жидкотекучесть и другие свойства сплавов

ЛИНИИ НА ДИАГРАММЕ соответствуют началу или окончанию фазовых превращений; например, линия ликвидус соответствует началу кристаллизации, а линия солидус — ее окончанию

ТИПОВЫЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ КЛАССИФИЦИРУЮТ по взаимной растворимости компонентов, которая может быть неограниченной или ограниченной; по наличию полиморфных превращений у компонентов; по наличию изотермических фазовых превращений у некоторых сплавов

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ состоит всего из двух линий — ликвидус и солидус — разбивающих ее на три области: выше линии ликвидус находится однофазная область с жидким раствором (С = 2, Ф = 1), ниже линии солидус находится однофазная область с твердым раствором (С = 2, Ф = 1), а между этими линиями расположена двухфазная область, где одновременно сосуществуют жидкая и твердая фазы (С = 1, Ф = 2)

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ содержат какое-либо изотермическое превращение, приводящее к образованию гетерогенных структур; обычно это перитектическое, эвтектическое или эвтектоидное превращение

РЕАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ обычно представляют собой комбинации простейших типовых диаграмм; примером реальной диаграммы состояния, имеющим большое практическое значение, может служить диаграмма сплавов железа с углеродом

3.4. Диаграмма железо-углерод

ЖЕЛЕЗО — непрочный (250 МПа), пластичный (50%) и мягкий (80 НВ) металл с температурой плавления 1539°С и плотностью 7680 кг/м³; полиморфно: Fe_α имеет ОЦК решетку и существует ниже 911°С и выше 1392°С; Fe_¥ имеет ГЦК решетку, оно плотнее и существует от 911°С до 1392°С

УГЛЕРОД существует в виде природных (графит, алмаз) и синтетических (фуллерены) модификаций

ГРАФИТ — стабильная при нормальных условиях модификация углерода с гексагональной решеткой; графит мягок, электропроводен, химически стоек, сгорает на воздухе при 700°С

АЛМАЗ — метастабильная при нормальных условиях модификация углерода; алмаз очень тверд, хрупок, химически стоек, теплопроводен, сгорает на воздухе при 870°С

ФАЗЫ НА ДИАГРАММЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД — жидкий раствор, два твердых раствора (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит) и химический элемент (углерод в форме графита)

ФЕРРИТ — раствор внедрения углерода в альфа-железе; пластичный, непрочный и мягкий

АУСТЕНИТ — раствор внедрения углерода в гамма-железе; прочнее, плотнее и тверже феррита

ЦЕМЕНТИТ — карбид железа Fe₃C; содержит 6,67% углерода; тверд, хрупок и метастабилен

СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ НА ДИАГРАММЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД — феррит, аустенит, цементит (первичный, вторичный и третичный), графит, перлит (пластинчатый и зернистый) и ледебурит

ЦЕМЕНТИТ ПЕРВИЧНЫЙ — крупные кристаллы, выпадающие из жидкости в высокоуглеродистых сплавах; линия CD позволяет определить температуру начала этого процесса

ЦЕМЕНТИТ ВТОРИЧНЫЙ — мелкие кристаллы, выпадающие из аустенита при охлаждении (линия SE); располагаются они по границам зерен и снижают пластичность сплавов

ЦЕМЕНТИТ ТРЕТИЧНЫЙ — очень мелкие кристаллы, выпадающие из феррита при охлаждении

ПЕРЛИТ — прочная эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода; пластинчатый перлит состоит из чередующихся пластин феррита и цементита; зернистый перлит содержит округлые частицы цементита, его получают сфероидизирующим отжигом, он лучше режется

ЛЕДЕБУРИТ — твердая, хрупкая и легкоплавкая эвтектика, содержащая 4,3% углерода; высокотемпературный ледебурит (смесь аустенита и цементита) существует при температурах (727–1147)°С; низкотемпературный ледебурит (смесь перлита и цементита) существует ниже температуры 727°С

ABCD — линия ликвидус: начало кристаллизации; выше находится только жидкость

AHIECF — линия солидус: окончание кристаллизации; ниже этой линии жидкой фазы нет

CD, SE и PQ — начало выпадения кристаллов первичного, вторичного и третичного цементита

PSK — эвтектоидное превращение аустенита в перлит (температура А₁, 727°С)

MO — магнитное превращение некоторых сталей (точка Кюри: температура А₂, 768°С)

GS и NI — нижняя и верхняя границы аустенитной области (температуры А₃ и А₄)

HB — перитектическое превращение: образование аустенита из феррита и жидкости, 1499°С

EF — эвтектическое превращение жидкой фазы в ледебурит при температуре 1147°С

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ — техническое железо, сталь и чугун

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО содержит до 0,02% С (точка P); это непрочный и пластичный металл

СТАЛЬЮ называют сплав железа с углеродом, содержащий от 0,02% до 2,14% углерода

ДОЭВТЕКТОИДНАЯ СТАЛЬ содержит менее 0,8% углерода, это конструкционный материал

ЭВТЕКТОИДНАЯ СТАЛЬ содержит 0,8% углерода, это инструментальная сталь

ЗАЭВТЕКТОИДНАЯ СТАЛЬ содержит более 0,8% углерода, это также инструментальная сталь

ЧУГУН содержит (2,14–6,67)% С; различают доэвтектический (< 4,3% С), эвтектический (= 4,3% С) и заэвтектический (> 4,3% С) чугуны; практическое значение имеет только доэвтектический чугун

Глава 4. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРИАЦИЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ОСНОВНЫМИ МЕТОДАМИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ металлов являются холодная пластическая деформация, термическая и химико-термическая обработка

4.1. Пластическая деформация металлов

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ бывает горячая (Т > 0,6Т_пл) и холодная (Т < 0,3Т_пл); горячая деформация изменяет только форму изделия, а холодная деформация изменяет форму, структуру и свойства металла; холодная пластическая деформация переводит металл в метастабильное состояние, что сопровождается формированием текстуры деформации и появлением наклепа

ТЕКСТУРА ДЕФОРМАЦИИ — ориентация зерен металла в определенных плоскостях или направлениях; так, при осадке металла на прессе его зерна оказываются ориентированными в плоскостях, перпендикулярных направлению осадки, а при радиальном обжатии металла (например, при волочении проволоки), его зерна оказываются ориентированными в осевом направлении изделия

НАКЛЕП — упрочнение металла в процессе холодной пластической деформации; предел текучести, прочность и твердость наклепанного металла возрастают, а его плотность, коррозионная стойкость, пластичность и ударная вязкость — уменьшаются; наклеп исчезает при нагреве металла

НАГРЕВ НАКЛЕПАННОГО МЕТАЛЛА постепенно возвращает его структуру к равновесному состоянию; сначала протекает процесс возврата, а затем начинаются процессы рекристаллизации

ВОЗВРАТ — частичное восстановление кристаллической структуры металла, начинающееся при его нагреве; первую стадию возврата называют отдыхом, а вторую — полигонизацией

ОТДЫХ уменьшает концентрацию дефектов кристаллической решетки, но не изменяет микроструктуру металла (форма, размер и характер взаимного расположения фаз не меняются)

ПРИ ПОЛИГОНИЗАЦИИ дислокации в деформированных кристаллах перераспределяются таким образом, что в металле образуются полигоны (субзерна, свободные от дислокаций); получается очень устойчивая блочная структура, сохраняющаяся почти до температуры плавления металла; полигонизация препятствует началу рекристаллизации, поэтому ее следует избегать

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ — зарождение новых равновесных зерен при нагреве наклепанного металла выше температуры рекристаллизации; она бывает первичная, собирательная и вторичная

ПЕРВИЧНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ полностью снимает наклеп и устраняет текстуру деформации

СОБИРАТЕЛЬНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ наблюдается при дальнейшем увеличении температуры и заключается в росте зерен, образовавшихся при первичной рекристаллизации

ВТОРИЧНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ начинается при чрезмерном нагреве и слишком длительной выдержке металла и заключается в аномальном росте отдельных зерен; это нежелательный процесс

ТЕМПЕРАТУРА РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ — минимальная температура, при которой начинается первичная рекристаллизация; она сильно зависит от чистоты и структуры металла; для металлов технической чистоты температура рекристаллизации составляет 30–40% от температуры плавления (для алюминия — 100°С, для меди — 210°С, для железа — 450°С)

УСЛОВИЯ ДЛЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ — степень пластической деформации металла должна быть больше критической величины, в кристаллах не должно быть полигонов, металл должен быть предрасположен к рекристаллизации (в некоторых металлах она начинается очень тяжело), температура нагрева должна немного превышать температуру рекристаллизации

КРИТИЧЕСКАЯ СТЕПЕНЬ ДЕФОРМАЦИИ обычно лежит в пределах (2–8) %; для железа и меди 5%

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ПОСЛЕ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ — размер вновь образовавшихся зерен уменьшается с ростом степени деформации металла и увеличивается с ростом температуры его нагрева; пластичность и вязкость металла увеличиваются с уменьшением размеров зерна; текстура рекристаллизации возникает сравнительно редко, но иногда ее получают специально для улучшения определенных свойств в нужном направлении (например, в листах трансформаторной стали специально сформированная текстура уменьшает потери энергии при перемагничивании)

4.2. Термическая обработка металлов

ТЕРМООБРАБОТКА заключается в тепловом воздействии на металл с целью изменения его структуры и свойств; термообработке подвергают отливки, поковки, сварные соединения, детали машин, инструменты; основные виды термообработки — отжиг, закалка, отпуск и старение

ОТЖИГ заключается в нагреве металла до заданной температуры, выдержке и медленном охлаждении; отжиг приближает структуру металла к равновесной, он уменьшает его твердость и прочность, но увеличивает пластичность и вязкость; бывает отжиг первого и второго рода

ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА не связан с фазовыми превращениями; к отжигу первого рода относят диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений

ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ заключается в продолжительной выдержке металла при очень высокой температуре; позволяет завершить прерванные ускоренным охлаждением диффузионные процессы; устраняет ликвацию в слитках легированных сталей, алюминиевых и других сплавов

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ заключается в нагреве наклепанного металла выше температуры рекристаллизации и выдержке, достаточной для завершения рекристаллизационных процессов; устраняет последствия холодной пластической деформации металла

ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА основан на фазовых превращениях; может быть полным и неполным

ПРИ ПОЛНОМ ОТЖИГЕ сплав нагревают до полной гомогенизации (растворения вторичных фаз)

НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ заключается в частичной гомогенизации сплава, который нагревают слабее

ЗАКАЛКА — нагрев сплава до заданной температуры, выдержка и быстрое охлаждение; позволяет получить твердую и прочную метастабильную структуру; закалка бывает полная и неполная, с мартенситным превращением и без него, объемная и поверхностная

ПОЛНАЯ ЗАКАЛКА отличается от неполной температурой нагрева; при полной закалке сплав нагревают сильнее, до полного растворения вторичных фаз

ПРИ НЕПОЛНОЙ ЗАКАЛКЕ ограничиваются частичной гомогенизацией сплава

КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ ЗАКАЛКИ — минимальная скорость охлаждения, при которой еще подавляется распад пересыщенного твердого раствора

ЗАКАЛКА БЕЗ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ фиксирует высокотемпературную структуру сплава, которая при быстром охлаждении переходит в метастабильное состояние (пересыщенный твердый раствор); упрочнение обычно происходит при последующем старении этого раствора

ПЕРЕСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР содержит избыток растворенного компонента сверх равновесной концентрации; кристаллическая решетка сильно деформирована, такая структура метастабильна

МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ — бездиффузионное превращение, протекающее в некоторых сплавах при быстром охлаждении; приводит к получению твердого и прочного мартенсита

ОБЪЕМНУЮ ЗАКАЛКУ применяют для упрочнения металла по всему объему; детали греют в печи

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА заключается в индукционном или лазерном нагреве детали и быстром ее охлаждении; она увеличивает твердость, износостойкость и предел выносливости металла; остающаяся сырой и вязкой сердцевина изделия хорошо сопротивляется ударным нагрузкам

ОТПУСК — нагрев закаленного сплава ниже температуры фазовых превращений для дозированного приближения его структуры к равновесному состоянию; пересыщенный твердый раствор, полученный при закалке, частично распадается, что позволяет получить нужное сочетание механических свойств; отпуск стабилизирует структуру сплава и уменьшает его хрупкость; термин «отпуск» используют для сплавов с полиморфным превращением, а термин «старение» — для всех остальных

СТАРЕНИЕ — процесс распада полученного при закалке пересыщенного твердого раствора; старение бывает естественное и искусственное; естественное старение проводят при комнатной температуре (иногда для этого требуется весьма продолжительная выдержка), при искусственном старении сплав слегка нагревают, процесс идет заметно быстрее; распад твердого раствора, происходящий при старении, часто сопровождается увеличением прочности и твердости металла

4.3. Термообработка стали

ТЕРМООБРАБОТКА СТАЛИ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ в ее нагреве до аустенитного состояния и охлаждении; при охлаждении аустенит претерпевает перлитное, мартенситное или бейнитное превращение

ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ протекает при медленном охлаждении аустенита, который распадается на ферритно-цементитные смеси различной дисперсности: перлит (самая грубая), сорбит или троостит (самая тонкая); механизм этого превращения диффузионный, идет оно медленно

МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ протекает при быстром охлаждении аустенита, который превращается в мартенсит; механизм этого превращения бездиффузионный, проходит оно быстро

МАРТЕНСИТ — пересыщенный раствор углерода в альфа-железе; он тверд, прочен и хрупок

БЕЙНИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ протекает при изотермическом распаде аустенита; оно носит черты как диффузионного, так и бездиффузионного превращений, поэтому называется промежуточным

БЕЙНИТ — смесь пересыщенного углеродом феррита и цементита; различают верхний и нижний бейнит; твердый и прочный нижний бейнит образуется при температурах ниже 400°С

ТЕРМООБРАБОТКА СТАЛЕЙ — отжиг первого и второго рода, нормализация, закалка и отпуск

ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА — диффузионный, рекристаллизационный и низкий

ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ заключается в сильном нагреве (более 1000°С) и длительной выдержке стали; он позволяет завершить диффузионные процессы и устранить ликвацию

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ заключается в нагреве наклепанной стали выше температуры рекристаллизации (680–740°С), он устраняет последствия холодной пластической деформации

НИЗКИЙ ОТЖИГ — небольшой нагрев стали для снятия остаточных напряжений

ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА бывает полный, неполный и изотермический

ПОЛНЫЙ ОТЖИГ заключается в полной аустенизации стали (греют до гомогенного состояния)

НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ — частичная аустенизация стали (греют слабее, чем при полном отжиге)

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ОТЖИГ предусматривает выдержку (остановку) в процессе охлаждения; такой прием сокращает время отжига легированных сталей, требующих очень медленного охлаждения

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ отличается от отжига охлаждением на воздухе (а не в печи); устраняет крупное зерно и цементитную сетку в заэвтектоидных сталях; дешевле и производительнее отжига

ЗАКАЛКА СТАЛИ бывает полная (полная аустенизация) и неполная (частичная аустенизация)

ПРИ НЕПОЛНОЙ ЗАКАЛКЕ сталь нагревают слабее и в структуре остается нерастворенный цементит, что обеспечивает большую твердость; ее применяют для инструментальных сталей

ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ бывает непрерывное, в двух средах, ступенчатое, с изотермической выдержкой, в заневоленном состоянии и глубокое; непрерывное охлаждение приводит к большим остаточным напряжениям и короблению детали; охлаждение в двух средах и ступенчатое уменьшает закалочные напряжения; изотермическая закалка превращает аустенит в нижний бейнит

ЗАКАЛКА В ЗАНЕВОЛЕННОМ СОСТОЯНИИ заключается в охлаждении плоских деталей (ножовочных полотен) между массивными медными пластинами; она предотвращает коробление изделий

ГЛУБОКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ закаленной стали жидким азотом позволяет устранить нестабильный остаточный аустенит; так обрабатывают мерительный инструмент и прецизионные детали

ЗАКАЛОЧНЫЕ СРЕДЫ — электролиты и воду применяют для закалки углеродистых сталей, они дают большие закалочные напряжения; минеральное масло применяют при закалке легированных сталей; на воздухе закаляют высоколегированные стали мартенситного класса

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ повышает ее надежность, но уменьшает твердость; низкий отпуск (150–250°С) назначают для твердых инструментальных и подшипниковых сталей; средний отпуск (350–500°С) назначают для рессорно-пружинных сталей; высокий отпуск (500–700°С) обеспечивает изделию хорошую конструкционную прочность и надежность; закалку с последующим высоким отпуском называют термическим улучшением стали

4.4. Комбинированные методы упрочнения

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ основаны на совмещении пластической деформации и термической обработки металла; термомеханическая и механотермическая обработка

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — горячая пластическая деформация металла, совмещенная с его закалкой; позволяет увеличить надежность хрупких высокопрочных сталей

МЕХАНОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — отжиг металла с последующей его пластической деформацией иногда позволяет сильно упрочнить металл; пример: патентирование пружинной проволоки

ПАТЕНТИРОВАНИЕ — многократный отжиг стали с последующим холодным волочением позволяет упрочнить высокоуглеродистую канатную проволоку до 5000 МПа!

4.5. Химико-термическая обработка

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА заключается в диффузионном насыщении поверхности металла различными химическими элементами, улучшающими его свойства

ЦЕМЕНТАЦИЯ — насыщение поверхности металла углеродом для увеличения ее твердости и износостойкости; после цементации назначают термическую обработку, затем деталь шлифуют

ТЕРМООБРАБОТКА ПОСЛЕ ЦЕМЕНТАЦИИ сначала проводят полную закалку для упрочнения доэвтектоидной сердцевины изделия, а затем — неполную закалку, увеличивающую твердость заэвтектоидного поверхностного слоя; иногда, для экономии, ограничиваются одной неполной закалкой

АЗОТИРОВАНИЕ увеличивает износостойкость и выносливость металла; азотируют стали, чугуны, титан, бериллий; сталь закаляют до азотирования, а шлифуют и полируют — после него

НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ, ЦИАНИРОВАНИЕ, КАРБОНИТРАЦИЯ — процессы совместного насыщения металла углеродом и азотом часто эффективнее раздельных; цианистые соли токсичны

БОРИРОВАНИЕ и СИЛИЦИРОВАНИЕ повышают коррозионную стойкость, жаростойкость и износостойкость металлов; силицирование уменьшает коэффициент трения стали

АЛИТИРОВАНИЕ, ХРОМИРОВАНИЕ, ТИТАНИРОВАНИЕ и ЦИНКОВАНИЕ повышают коррозионную стойкость и жаростойкость сталей

КАРБОХРОМИРОВАНИЕ — последовательное насыщение металла сначала углеродом, а затем хромом повышает твердость, жаропрочность и коррозионную стойкость стали

ХРОМОСИЛИЦИРОВАНИЕ — совместное насыщение поверхности металла хромом и кремнием; жаростойкость и кислотостойкость получаются лучше, чем после обычного хромирования

ХРОМОАЛИТИРОВАНИЕ — совместное насыщение поверхности металла хромом и алюминием позволяет повысить жаростойкость стали до 900°С, а также получить высокую эрозионную стойкость

ТЕХНОЛОГИЯ ХТО — металлы насыщают различными элементами в порошковых средах, в расплавах солей и в газовых атмосферах; перспективны ионные и циркуляционные процессы

НАСЫЩЕНИЕ В ПОРОШКОВЫХ СРЕДАХ — хорошо освоенная, но несколько устаревшая технология; детали засыпают активированным порошком и нагревают в печи, насыщение идет через газ

ОБМАЗКА ПАСТАМИ, содержащими необходимые для насыщения химические элементы, с последующей сушкой поверхности, облегчает обработку крупных, не помещающихся в печь, изделий

НАСЫЩЕНИЕ В РАСПЛАВАХ СОЛЕЙ — опасный и неперспективный способ обработки

НАСЫЩЕНИЕ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ — перспективный способ, не лишенный недостатков; например, высокопроизводительная газовая цементация потребляет очень много природного газа

ИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ проводят в разреженной газовой среде, ионизированной тлеющим электрическим разрядом; ионное насыщение углеродом и азотом не загрязняет среду, его применяют для сталей, чугунов и титановых сплавов; необходимо иметь специальное вакуумное оборудование

ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ позволяет получать высококачественные покрытия в химически чистой среде, которая принудительно циркулирует, очищается и обогащается

Глава 5. ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ — промышленное название железа и его сплавов; в технике используют около 2000 железных сплавов, большая часть которых — стали

5.1. Общая характеристика сталей

СВОЙСТВА СТАЛЕЙ — стали обладают высокой жесткостью и конструкционной прочностью, хорошей надежностью и долговечностью; их обрабатывают литьем, давлением, резанием, сваркой; стали относят к деформируемым сплавам с плохой жидкотекучестью и хорошей пластичностью

СТАЛИ КЛАССИФИЦИРУЮТ по химическому составу, по содержанию углерода и легирующих элементов, по степени раскисления, по качеству, по структуре, по прочности и по назначению

ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ стали делят на углеродистые и легированные; углеродистые стали содержат только железо и углерод; в легированные стали вводят различные химические элементы

ПО СОДЕРЖАНИЮ УГЛЕРОДА стали делят на непрочные и пластичные низкоуглеродистые (содержат менее 0,3% углерода), прочные после закалки среднеуглеродистые (содержат 0,3–0,7% углерода) и твердые после закалки высокоуглеродистые (содержат более 0,7% углерода)

ПО СТЕПЕНИ ЛЕГИРОВАНИЯ стали делят на низколегированные (содержат менее 5% легирующих элементов), среднелегированные (содержат 5–10 % легирующих элементов) и высоколегированные (содержат более 10% легирующих элементов)

ПО СТЕПЕНИ РАСКИСЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРУ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ стали делят на спокойные (хорошо раскислены, при литье газов не выделяют), полуспокойные и кипящие (плохо раскислены, при литье выделяют газы); раскисление — удаление из жидкой стали кислорода, для чего в расплав вводят раскислители (Mn, Si, Al), отбирающие кислород у железа и уменьшающие хрупкость сплава

ПО КАЧЕСТВУ — выпускают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные; с ростом качества уменьшается содержание в стали серы и фосфора

ПО СТРУКТУРЕ ПОСЛЕ ОТЖИГА стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, аустенитные и ферритные; углеродистые стали могут быть только двух первых классов

ДОЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ содержат менее 0,8% углерода, у них в структуре избыточный феррит

ЭВТЕКТОИДНЫЕ СТАЛИ содержат 0,8% углерода, они имеют чисто перлитную структуру

МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ содержат много Ni и Mn, у них ГЦК решетка

ФЕРРИТНЫЕ СТАЛИ содержат много Cr, Si, V, W; они имеют ОЦК решетку при любой температуре

ПО СТРУКТУРЕ ПОСЛЕ НОРМАЛИЗАЦИИ — перлитные, мартенситные, аустенитные и ферритные

ПЕРЛИТНЫМИ называют недорогие конструкционные стали с ферритно-цементитной структурой

МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ имеют низкую критическую скорость закалки, они закаляются на воздухе

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО ПРОЧНОСТИ — бывают стали нормальной прочности (до 1000 МПа), стали повышенной прочности (1000–1500 МПа) и высокопрочные стали (более 1500 МПа); прочность лучших сортов литых сталей превышает сегодня 3000 МПа

ПО НАЗНАЧЕНИЮ стали делят на конструкционные, инструментальные, электротехнические и др.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ имеют доэвтектоидный состав, их применяют для изготовления различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов, ферм мостов, железных дорог; это строительные, подшипниковые, рессорно-пружинные, котельные, рельсовые и другие стали

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ применяют для изготовления мерительного, режущего и штампового инструмента; это закаленные до высокой твердости эвтектоидные и заэвтектоидные стали; инструментальные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СТАЛИ — текстурированные тонколистовые стали, используемые при изготовлении электромагнитов, трансформаторов, генераторов и электродвигателей; это магнитно-мягкие стали с малой коэрцитивной силой и низкими потерями энергии при перемагничивании

5.2. Углерод, примеси и легирующие элементы в сталях

СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА влияет на механические, технологические и физические свойства стали; с увеличением содержания углерода прочность и твердость закаленной стали возрастают, а ее пластичность и вязкость уменьшаются; чем больше в стали углерода, тем лучше ее закаливаемость и хуже литейные свойства; обрабатываемость резанием как низкоуглеродистых, так и высокоуглеродистых сталей затруднена; с ростом содержания углерода электрическое сопротивление и коэрцитивная сила стали повышаются, а ее магнитная проницаемость снижается

ПРИМЕСИ В СТАЛИ бывают случайные, постоянные и скрытые

СЛУЧАЙНЫЕ ПРИМЕСИ попадают в сталь из скрапа (металлолома) или руд отдельных месторождений; уральские руды содержат медь, а керченские — мышьяк

ПОСТОЯННЫЕ ПРИМЕСИ — S, P, Mn, Si — в той или иной степени присутствуют в стали всегда

СЕРА — вредная примесь, вызывающая красноломкость стали (хрупкость при горячей деформации); сера облегчает обработку резанием, поэтому ее иногда добавляют в автоматные стали (А11, А30, А40), применяемые для массового изготовления деталей резанием на станках-автоматах

ФОСФОР — вредная примесь, вызывающая хладноломкость стали (хрупкость при низких температурах); каждая 0,01% фосфора повышает порог хладноломкости стали на 25°С

МАРГАНЕЦ уменьшает вредное влияние серы и кислорода; марганец вводят в жидкую сталь для раскисления с избытком так, чтобы его осталось в стали (0,3–0,8)%

КРЕМНИЙ — полезная примесь, упрочняющая сталь; его также вводят в жидкую сталь для раскисления с избытком так, чтобы его осталось в стали около 0,4%

СКРЫТЫМИ ПРИМЕСЯМИ называют растворенные газы, ухудшающие пластичность и прочность стали; скрытыми их назвали потому, что они не выявляются металлографическими методами анализа; обычно в сталях растворены кислород, азот и водород

КИСЛОРОД загрязняет сталь оксидами, уменьшающими ее прочность и повышающими хрупкость; в основном его удаляют при раскислении стали

АЗОТ загрязняет сталь нитридами, вызывающими ее деформационное старение, проявляющееся в разрывах при штамповке низкоуглеродистых сталей; иногда сталь специально легируют азотом

ВОДОРОД вызывает хрупкость закаленных сталей; он попадает в сталь из восстановительных атмосфер, при травлении кислотами, при нанесении гальванических покрытий

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ вводят в сталь для улучшения ее свойств; наиболее часто в стали встречаются: Х–хром, Н–никель, Г–марганец, А–азот, С–кремний, М–молибден, В–вольфрам, Т–титан, Ф–ванадий, Д–медь, Ю–алюминий, Р–бор, К–кобальт, Ч–редкоземельный элемент; в сталях специального назначения обозначения некоторых легирующих элементов могут быть другими

ХРОМ улучшает механические свойства и коррозионную стойкость стали, повышает ее прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости; много хрома содержат коррозионностойкие (нержавеющие и кислотоупорные) стали

НИКЕЛЬ повышает прочность и прокаливаемость стали, понижает ее порог хладноломкости; это самый полезный, но дорогой легирующий элемент, улучшающий целый комплекс свойств сталей

МОЛИБДЕН, ВОЛЬФРАМ, ВАНАДИЙ и ТИТАН — карбидообразователи: реагируя с углеродом, содержащимся в стали, они образуют карбиды, увеличивающие прочность, теплостойкость и прокаливаемость стали, уменьшают зерно и порог хладноломкости; излишек карбидов, однако, делает сталь очень хрупкой, необходимо строго следить за их дозировкой

БОР вводят в сталь в микродозах; микролегирование стали бором (до 0,005%) по увеличению прокаливаемости эквивалентно введению 1% дорогого никеля, что позволяет уменьшить себестоимость сталей, от которых требуется только высокая прокаливаемость

СВИНЕЦ, КАЛЬЦИЙ и СЕЛЕН облегчают обрабатываемость стали резанием, поэтому ими легируют автоматные стали, такие как АС12ХН (содержит около 0,12% Pb), АЦ30 (содержит 0,003% Ca)

5.3. Конструкционные стали

УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ дешевы и технологичны, но у них плохая прокаливаемость и они требуют очень быстрого охлаждения при закалке, что приводит к большим внутренним напряжениям; углеродистые стали выпускают обыкновенного качества и качественные

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА (ГОСТ 380-2005) маркируют буквами Ст и цифрой (от 0 до 6), обозначающей номер марки стали: Ст0, Ст1кп, Ст5Гпс; из относительно прочных сталей марок 5 и 6 изготавливают рельсы, железнодорожные колеса, крупные детали машин

УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ выпускают с гарантированным химическим составом и механическими свойствами; их маркируют числами, обозначающими углерод в сотых долях процента (сталь 20 содержит 0,2% С); эти стали выпускают низко-, средне- и высокоуглеродистыми

НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ делят на высокопластичные (стали 05, 08, 10) и цементуемые (стали 15, 20, 25 используют для изготовления деталей с твердой поверхностью)

СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ (стали 30, 40, 50, 55) применяют после улучшения, нормализации или поверхностной закалки для изготовления самых разных изделий

ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ 60–85 и стали с повышенным содержанием марганца 60Г–70Г после термообработки на троостит (закалка и средний отпуск) применяют как рессорно-пружинные, а после нормализации из них делают прокатные валки и другие крупные детали

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ отличаются от углеродистых большей прокаливаемостью, а после термообработки — большей надежностью и прочностью; однако они менее технологичны, подвержены отпускной хрупкости, а после закалки содержат больше нестабильного остаточного аустенита

МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ может начинаться с буквы, указывающей ее назначение, например: А — автоматная сталь, Ш — подшипниковая сталь, Э — электротехническая сталь; затем идет число — углерод в сотых долях %; цифра после буквы, обозначающей легирующий элемент, указывает на его содержание; буква в конце маркировки указывает на качество стали: А — высококачественная сталь, Ш — особовысококачественная сталь; высококачественная сталь 20ХНА содержит 0,2% С, по 1% Cr и Ni; износостойкая подшипниковая сталь ШХ15 содержит около 1% С и 1,5% Cr, после закалки и низкого отпуска она приобретает высокую твердость HRC 60...64

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ НОРМАЛЬНОЙ И ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ делят на два класса: низкоуглеродистые цементуемые (0,1–0,3% С) и среднеуглеродистые улучшаемые (0,3–0,5% С)

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ используют для изготовления износостойких деталей; эти стали хорошо работают в условиях трения, из них делают зубчатые колеса, кулачки и другие изделия с твердой поверхностью; цементуемые стали: 15Х, 25ХГМ, 12Х2Н4А

УЛУЧШАЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ применяют для изготовления таких ответственных деталей, как валы, штоки, шатуны; после улучшения (закалка и высокий отпуск) они приобретают большую конструкционную прочность и высокую надежность; улучшаемые стали: 50Х, 40ХНМА

ЛЕГИРОВАННЫЕ ЗАКАЛЕННЫЕ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ обычно хрупки и ненадежны в эксплуатации, что сдерживает их применение; основная задача при разработке высокопрочных сталей — повышение их ударной вязкости; существуют три класса надежных высокопрочных сталей

ЛЕГИРОВАННЫЕ ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ — мартенситно-стареющие, метастабильные аустенитные и среднеуглеродистые комплексно легированные

МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ представляют собой высоколегированные железоникелевые сплавы, содержащие 8–25 % никеля; после термообработки, заключающейся в закалке от 850°С на воздухе с последующим старением при 500°С, они приобретают очень высокую прочность и отличную упругость; 03Н12К15М10, 03Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т и другие

АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ сочетают высокую прочность с хорошей пластичностью; они сильно наклепываются, но плохо режутся; их закаляют (от 1100°С) или подвергают термомеханической обработке; из этих сталей делают прочную проволоку для тросов, броневой лист; 25Н25М4Г

СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ КОМПЛЕКСНО ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ содержат углерода 0,3–0,5 %, хрома 1–3 %; никеля 2–4 %, молибдена и ванадия 0,1–0,5 %; кобальта 0,2–0,5 %

5.4. Инструментальные стали

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ обладают высокой твердостью и износостойкостью; их используют для изготовления режущего, мерительного и штампового инструмента; существует три класса инструментальных сталей: углеродистые, низколегированные и быстрорежущие

Дата добавления: 2014-04-16; просмотров: 575; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!