УМО-матвед-конец

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»




Ю. П. ЗЕМСКОВ, Ю. С. ТКАЧЕНКО,
Л. Б. ЛИХАЧЕВА, Б. Н. КВАШНИН





МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие

Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия











___________________

ВОРОНЕЖ
2012

УДК 620. 1 (075)
ББК Ж3я7
М-35
Научный редактор профессор Г. В. ПОПОВ

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра материаловедения и физики металлов
Воронежского государственного технического университета;

д–р техн. наук В. К. АСТАНИН
(Воронежский государственный аграрный университет)

Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий

Материаловедение [Текст]: учебное пособие /Ю. П. Земсков,
М-35 Ю. С. Ткаченко, Л. Б. Лихачева, Б. Н. Квашнин; Воронеж. гос.
ун-т. инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2012. – 200 с.

ISBN 978-5-89448-
М13 EMBED Equation.3 1415
Без объявл.
УДК 620.1 (075)
ББК Ж3я7


Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО подготовки выпускников по направлениям 151000.62 – «Технологические машины и оборудование» (профили «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий), 220700.62 – «Автоматизация технологических процессов» (профиль – «Автоматизация производственных процессов и производств»),, 221700.62 – «Стандартизация и метрология» (профиль - «Стандартизация и метрология»),, 241000.62 – «Энерго-и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» (профиль – «Машины и аппараты химических производств»), 280700.62 - «Техносферная безопасность» (профиль – «Инженерная защита окружающей среды»). Предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин циклов Б2 и Б3.

ISBN 978-5-89448- © Земсков Ю. П., Ткаченко Ю. С.,
Лихачева Л. Б., Квашнин Б. Н., 2012
© ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. ун-т. инж.технол.», 2012

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

Предисловие

Дисциплина «Материаловедение» относится к циклу базовых и вариативных дисциплин для подготовки выпускников, обучающихся по направлениям 151000.62 – «Технологические машины и оборудование» (профили «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий)-цикл Б3.Б4, 220700.62 – «Автоматизация технологических процессов» (профиль – «Автоматизация производственных процессов и производств»)-цикл Б3.В1, 221700.62 – «Стандартизация и метрология» (профиль - «Стандартизация и метрология»)-цикл Б3.Б4, 241000.62 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» (профиль – «Машины и аппараты химических производств»)-цикл Б3.В9, 280700.62 - «Техносферная безопасность» (профиль – «Инженерная защита окружающей среды»)-Б3.В9.
Целью изучения дисциплины является подготовка бакалавров к производственно-технологической, научно-исследовательской и проектной деятельности.
Задача дисциплины – изучение строения материалов, их физико-механических свойств, термической обработки, а также знание основных марок материалов при проектировании и изготовлении деталей машин.
Учебное пособие предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины, подготовки к межсессионной и итоговой формам контроля компетенций, интернет-экзамену, дистанционного обучения студентов очной и заочной форм обучения а также владением практических навыков инженерной работы, связанной с изготовлением и разработкой машин.
Пособие содержит 5 теоретических тем (дидактических единиц), каждая из которых содержит по четыре подтемы, а также список контрольных вопросов для проверки полученных знаний (компетенций).
Изучение дисциплины «Материаловедение» позволит будущим бакалаврам освоить следующие профессиональные компетенции.
Для направления 151000.62 – «Технологические машины и оборудование» (профили «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий):
- ПК-6-«Умеет выбирать основные и вспомогательные материалы и способы реализации основных технологических процессов и применять прогрессивные методы эксплуатации технологического оборудования при изготовлении изделий машиностроения»;
- ПК–7-«Умеет применять методы стандартных испытаний по определению физико-механических свойств и технологических показателей используемых материалов и готовых изделий».
Для направления 220700.62 – «Автоматизация технологических процессов» (профиль – «Автоматизация производственных процессов и производств»):
- ПК-2-«Способен использовать основные закономерности, действующие в процессе изготовления продукции и способен их использовать для производства изделий требуемого качества, заданного количества при наименьших затратах общественного труда»;
- ПК–3-«Способен выбирать основные и вспомогательные материалы для изготовления изделий, способы реализации основных технологических процессов, аналитические и численные методы при разработке их математических моделей»;
- ПК -8-«Способен участвовать в разработке проектов изделий с учетом технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, экономических и управленческих параметров».
Для направления 221700.62 – «Стандартизация и метрология» (профиль - «Стандартизация и метрология»):
- ПК–14 – «Участвовать в работах по подготовке к сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов; в проведении аккредитации органов по сертификации, измерительных и испытательных лабораторий»;
- ПК–20 – «Проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом результатов, составлять описания проводимых исследований и подготавливать данные для составления научных обзоров и публикаций»;
- ПК-23 – «Принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов разрабатываемых средств измерений, испытаний и контроля в соответствии с техническим заданиями и использованием стандартных сре6дств автоматизации проектирования.
Для направления 241000.62 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» (профиль – «Машины и аппараты химических производств»):
- ПК-7-«Способен осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойства сырья и продукции»;
- ПК-8-«Способен участвовать в совершенствовании технологических процессов с позиции энерго-и ресурсосбережения, минимизации воздействия на окружающую среду»;
- ПК-11-«Готов обосновывать конкретные технические решения при разработке технологических процессов; выбирать технические средства и технологии, направленные на минимизацию антропогенного воздействия на окружающую среду».
Для направления 280700.62 - «Техносферная безопасность» (профиль – «Инженерная защита окружающей среды»):
- ПК-3-«Способностью принимать участие в инженерных разработках среднего уровня сложности в составе коллектива»;
- ПК-15-«Способностью проводить измерения уровней опасностей в среде обитания, обрабатывать полученные результаты, составлять прогнозы возможного развития ситуации»;
- ПК-20-«Способностью принимать участие в научно-исследовательских разработках по профилю подготовки: систематизировать информацию по теме исследования, принимать участие в экспериментах, обрабатывать полученные данные».
Тема 1. ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ.

1.1. Структура материалов.
Материаловедением называют прикладную науку о связи состава и строения материалов с их свойствами. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности и надежности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах, которая стимулирует появление новых технических идей.
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем.
Электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и нейтронография позволяют изучать элементы кристаллической структуры, ее дефекты, закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температура, давление и др.).
Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли российские ученые. П.П. Аносов (1799–1851гг.) впервые установил связь между строением стали и ее свойствами. Д.К. Чернов (1839–1921гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С. Курнакова (1860-1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами С.С. Штейнберга (1872–1940 гг.), Н.А. Минкевича (1883–1942 гг.). Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С.Т. Конобеевского, А.А. Байкова, Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовского, А.А. Бочвара, С.Т. Кишкина, Н.В. Агеева и многих других.
Работы крупнейшего русского химика А.М. Бутлерова (1828–1886 гг.) по теории химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В.А. Каргина и его учеников.
Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Важнейшие рентгеноструктурные исследования сплавов провели М. Лауэ и П. Дебай (Германия), У.Г. Брэгг и У.Л. Брэгг (Англия). Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (Германия) и Д. Натта (Италия).
Закономерное расположение атомов в кристалле описывается кристаллической решеткой, т. е. трехмерным, периодически повторяющимся расположением атомов во всем объеме кристалла. Элементарный, т. е. наименьший объем, который характеризует особенности строения кристалла данного металла, называется элементарной ячейкой. Ячейки или кристаллические решетки характеризуются симметрией, периодами решетки, координационными числами, базисами и коэффициентами компактности решетки.
Существует 7 видов симметрии (триклинная, моноклинная, ромбическая, ромбоэдрическая, гексагональная, тетрагональная, кубическая) и 14 видов элементарных ячеек.
Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих кристаллических решеток:
- объемно-центрированную кубическую (ОЦК);
- гранецентрированной кубической (ГЦК);
- гексагональной, которая может быть плотноупакованной (ГПУ) и не плотноупакованной.
Элементарные ячейки этих трех типов решеток показаны на рисунке 1.1.
Периодом кристаллической решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов, расположенных вдоль осей элементарной ячейки. У большинства металлов периоды решеток находятся в пределах от 2,5(10-10 м до 5,5(10-10 (от 2,5 Е до 5,5 Е).











Рисунок 1.1. Элементарные ячейки кристаллических решеток металлов: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ

Координационным числом (К) называется количество атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от любого произвольно выбранного атома кристаллической решетки.
Для ОЦК решетки К = 8, для ГЦК и ГПУ решетки К = 12. Таким образом, ГЦК и ГПУ кристаллические решетки являются плотноупакованными и их можно представить в виде последовательного чередования плотноупакованных плоскостей. При последовательности плотноупакованных плоскостей АВАВ (рисунок 1.2, а) образуется ГПУ решетка, а при последовательности АВСАВС (рисунок 1.2, б) – ГЦК.








а б
Рисунок 1.2. Последовательности чередования плотноупакованных плоскостей: а – для ГПУ решетки; б – для ГЦК

Базисом решетки называют количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. При этом надо иметь в виду, что атомы в углах ячеек принадлежат одновременно 8 ячейкам, атомы, расположенные в центрах граней – двум ячейкам. Тогда базис ОЦК решеток равен 2, базис ГЦК составляет 4, базис ГПУ равен 6.
Коэффициент компактности решетки (() определяется отношением объема, занимаемого атомами с условно сферической формой ко всему объему ячейки. Для ОЦК решеток коэффициент компактности равен 0,68, для ГЦК и ГПУ составляет 0,74.

1.1.1. Полиморфизм
Для одной и той же подгруппы периодической системы элементов металлы кристаллизуются, как правило, с образованием элементарной ячейки одинакового типа. Например, большинство щелочных металлов имеют ОЦК решетку, щелочноземельных – ГПУ решетку.
Однако для некоторых металлов характерно существование двух и даже трех типов кристаллических решеток при различных температурах или давлениях. Это явление называется полиморфизмом, а кристаллические структуры – аллотропическими формами или модификациями.
Низкотемпературную модификацию называют (, высокотемпературные - (, (, ( и т. д.
Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов. Например, железо до 911 (С и выше 1392 (С имеет ОЦК структуру, а от 911 (С до 1392 (С – ГЦК структуру. Титан до 882 (С имеет ГПУ структуру, а выше – ОЦК структуру. Кобальт при 477 (С претерпевает полиморфное превращение из ГПУ структуры в ГЦК структуру.
Быстрое охлаждение может сохранить высокотемпературную модификацию в течение длительного времени при температурах 2025(С, так как низкая диффузионная подвижность атомов при таких температурах не способна вызвать перестройку решетки.
Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до температуры 2000 (С и давлении ( 1010 Па углерод в форме графита перекристаллизуется в алмаз. При очень больших давлениях в железе обнаружена низкотемпературная модификация с гексагональной решеткой ГПУ.
Полиморфные превращения в чистых металлах происходят при постоянной температуре и сопровождаются тепловым эффектом – выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, и поглощением теплоты при нагреве. Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах и сопровождаются скачкообразным изменением свойств: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных, механических и химических свойств.
В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму.
Поэтому такое превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это используется для измельчения крупного зерна, полученного при кристаллизации из жидкого состояния или предварительном нагреве до высоких температур.

1.1.2. Строение реальных кристаллов
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных наличием в них дефектов, нарушающих правильное расположение атомов во всем объеме кристалла. Дефекты в кристаллах обычно характеризуют размерностью. По этому признаку дефекты делят на четыре группы: точечные, линейные, поверхностные и объемные.
Точечные дефекты.
Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров.
К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рисунок 1.3).

а б в

Рисунок 1.3. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения

Вакансией (дефектом Шоттки) называется пустой узел кристаллической решетки.
Межузельным атомом (дефектом Френкеля) называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.
Примесный атом внедрения возникает в процессе кристаллизации или диффузии примеси с поверхности и представляет собой сумму двух дефектов: вакансии и атома примеси. Такой дефект может образовываться при захвате примеси в процессе кристаллизации или при совместной диффузии вакансии и атома примеси.
Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. В плотноупакованных решетках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому в металлах очень трудно возникают межузельные атомы и основным точечным дефектом являются тепловые вакансии. Например, в меди при температуре 2025 (С содержится 10-13 ат. % вакансий, а вблизи точки плавления – уже 0,01 ат. %.
Пресыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами.
В последнем случае концентрация вакансий и межузельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся межузельными атомами, а освободившиеся узлы становятся вакансиями. С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки. Вакансии являются подвижными дефектами кристаллической решетки и ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузию, спекание порошков и т. д.
Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и, в определенной мере, влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электрическое сопротивление, а на механические свойства практически не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность, и заметно изменяются другие свойства.
1.1.3. Линейные дефекты.
Важнейшими видами линейных дефектов кристаллической решетки являются краевые и винтовые дислокации (рисунок 1.4), движение которых определяет пластическое деформирование кристаллических материалов.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстра плоскости (рисунок 1.4, а).
Линия дислокации соответствует краю экстра плоскости.









а б
Рисунок 1.4. Схемы дислокаций: а – краевая; б - винтовая

Вокруг дислокации кристаллическая решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса 13 EMBED Equation.3 1415. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле, переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. В реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.
Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В монокристаллах она равна 104 105 см-2, у отожженных поликристаллических металлов – 106 108 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 1012 см-2.
Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.
Дислокации кроме пластической деформации участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами для образования второй фазы из твердого раствора.
Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл. Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких нитевидных кристаллов, полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рисунок 1.5).










Рисунок 1.5. Зависимость предела текучести от плотности дислокаций: 1 – идеальный кристалл без дефектов; 2 – бездефектные нитевидные кристаллы; 3 – отожженные металлы; 4 – металлы с увеличенной плотностью дислокаций после обработки
1.1.4. Поверхностные дефекты
Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.
В промышленности применяют как поликристаллические, так и монокристаллические материалы. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рисунок 1.6), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 15 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.
Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рисунок 1.6, а). Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков.
Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций (рисунок 1.6, б). Угол взаимной разориентации субзерен не превышает 5 (, поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.
а б
Рисунок 1.6. Схемы строения границ:
а – большеугловые; б - малоугловые
Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВС АВ, а при наличии дефекта упаковки слои чередуются в последовательности АВС ВС АВС Чередование слоев ВС типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке.
Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла. Граница двойника разделяет такие части кристалла. Двойники могут появляться при деформации, кристаллизации, отжиге деформированных кристаллов и других процессах. При двойниковании сдвиг соседних атомных плоскостей происходит на расстояние меньше межатомного, в отличие от деформации движением дислокаций.
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести (т связан с размером зерен d зависимостью


· =
·о + kd-1/2

где (0 и k – постоянные для данного материала;
d – размер зерна.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзерен.
Вдоль границ зерен и субзерен быстрее протекает диффузия, особенно при нагреве.

1.1.5. Объемные дефекты
К объемным дефектам относятся поры, трещины, усадочные раковины и т. п. Они имеют значительную по сравнениями с атомами протяженность во всех трех направлениях кристалла. Трехмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и других процессах (рисунок 1.7).
а б в
Рисунок 1.7. Объемные дефекты: а – пора; б - трещина; в – усадочная раковина

1.1.6. Кристаллизация металла и строение слитка.
Кристаллизацией называется переход веществ из жидкого состояния в кристаллическое.
Она обусловлена стремлением веществ иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала.
Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и кристаллическом состояниях равны, называется равновесной температурой Тпл.
Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в кристаллическом состоянии будет меньше термодинамического потенциала вещества в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении жидкого металла до температур ниже равновесной Тпл.
Разность между температурами Тпл и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, называется степенью переохлаждения:

(Т = Тпл – Тк.

Поскольку жидкий металл с присущим ему ближним порядком в расположении атомов обладает большей внутренней энергией, чем твердый со структурой дальнего порядка, при кристаллизации выделяется теплота.
При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рисунок 1.8, кривая v1).
На кривой охлаждения при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка при падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
















Рисунок 1.8. Термические кривые охлаждения при кристаллизации чистых металлов с разной скоростью (v1 – v3)

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (рисунок 1.8 кривые v2, v3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры.
Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению.
При затвердевании очень жидких металлов степень переохлаждения (Т может быть очень велика. Так, при затвердевании олова была достигнута величина (Т = 118 (С.
Однако чаще степень переохлаждения не превышает 1030 (С.
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого размера, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла.
Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости.
При переохлаждении жидкости некоторые из них, наиболее крупные, становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называются центрами кристаллизации или зародышами.
Скорость процесса кристаллизации и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением скоростей роста кристаллов и образования центров кристаллизации.
Скорость образования зародышей измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема (мм-3(с-1), а скорость роста – увеличением линейного размера растущего кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры.
Графическая зависимость скорости образования зародышей (с. з.) и скорости их роста (с. р.) от степени переохлаждения представлена на рисунке 1.9.
Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим степеням переохлаждения, как правило, характерны восходящие ветви кривых. При равновесной температуре, когда степень переохлаждения равна нулю, скорости образования зародышей и роста равны нулю, т. е. кристаллизации не происходит.
При небольших степенях переохлаждения, когда скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура.
Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью или в подогретую металлическую форму.
Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки.
Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.
Образование зародышей в жидком металле по описанному механизму называется самопроизвольным.













Рисунок 1.9. Изменение скорости образования зародышей с. з. и скорости роста кристаллов с. р. в зависимости от степени переохлаждения

В технических металлах всегда присутствует большое количество различных примесей (окислов, неметаллических включений и т. д.), которые при определенных условиях облегчают образование зародышей.
Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным.
Для получения мелкого зерна используют специально вводимые в жидкий металл примеси, которое называется модифицированием, а вводимые примеси – модификаторами. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна, и в итоге улучшение механических свойств. Модифицирование чаще всего проводится введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов.
При модифицировании алюминиевых сплавов в качестве модификаторов применяют Na, Ti, V, Zr; никелевых и железных сплавов – В; чугуна – Mg.
Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей.
Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получившие название дендритов (рисунок 1.10).













Рисунок 1.10. Схема строения дендрита: 1, 2 и 3 – оси соответственно первого, второго и третьего порядков

Максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви (оси первого порядка).
По мере роста на осях первого порядка появляются, и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т. д. Дендриты растут до соприкосновения друг с другом.
В последнюю очередь кристаллизуется расплав в пространстве между ветвями, и дендриты превращаются в кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.
При недостатке жидкого металла для заполнения межосных пространств, при открытой поверхности слитка или в усадочной раковине, кристалл сохраняет дендритную структуру, появляются поры. При наличии примесей нерастворимых или плохо растворимых в твердом состоянии они скапливаются в межосном и междендритном пространстве.
Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты.
Поэтому при направленном теплоотводе получаются столбчатые кристаллиты, а при равномерном – равноосные.
Структура слитка зависит:
а) от количества и свойств примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве;
б) температуры разливки;
в) скорости охлаждения при кристаллизации;
г) конфигурации, температуры, теплопроводности, состояния внутренней поверхности литейной формы.

Типичная структура слитка сплавов состоит из трех зон (рисунок 1.11, а). Жидкий металл, прежде всего, переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы.
Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка тонкой зоны 1 мелких равноосных кристаллов. Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Образуется зона 2 столбчатых кристаллов, расположенных нормально к стенкам формы. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленный отвод теплоты, образуются равноосные кристаллиты больших размеров (зона 3). На свободной поверхности слитка образуется усадочная раковина 4.

а б в
Pисунок 1.11. Схемы макроструктуры слитков

Применяя различные технологические приемы, можно изменять количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще. Например, перегрев расплава перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводит к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рисунок 1.11, б). В месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и такие слитки часто растрескиваются при обработке давлением.
Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из мелких равноосных кристаллитов (рисунок 1.11, в).
Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. В результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фаз, а также при кристаллизации жидких несмешивающихся фаз возникает гравитационная ликвация по высоте слитка.

Контрольные вопросы:

1. Какие отличия между кристаллическими и аморфными телами?
2. Что понимается под межмолекулярным взаимодействием кристаллов?
3. Какие металлы имеют гексагональную плотную упакованную решетку?
4. Что понимается под точечными, линейными, поверхностными и объемными дефектами?
5. Какие основные типы кристаллических решеток вы знаете?
6. Каковы основным характеристикам кубической, гексагональной и гранецентрированной кристаллической решетки?
7. Что такое полиморфные превращения?
8. Какие бывают дислокации?
9. Какие параметры характерны для пространственных решеток кубической, гексагональной тригональной, ромбической сингонии?
10. При каких условия возникает движение вакансии?
11. Что такое равновесное состояние?
12. Каким методом выявляется дендритная структура в литых деталях?
13. Каким методом выявляется ликвация углерода или глубина закаленного слоя?
14. Как влияет искажение кристаллической решетки и примеси на свойства металла?
15.Что такое анизотропия?

1.2. Пластическая деформация и механические свойства металлов.
Все металлы и сплавы можно охарактеризовать присущими им свойствами: физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными, которые задаются при проектировании, обеспечиваются при изготовлении и реализуются при эксплуатации.
К физическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Химические свойства металлов и сплавов обязательно учитываются при изготовлении изделий, работающих в химически агрессивных средах.
Технологические свойства характеризуют способность металлов и сплавов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. К основным технологическим свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства, жидко текучесть, усадка и ликвация.
Эксплуатационные свойства определяют в зависимости от условий работы, которые учитываются при определении срока службы (долговечности) машины в целом и ее деталей. К ним относятся хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность.
Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении.
При выборе материала для изготовлении деталей машин прежде всего учитываются следующие механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударная и циклическая вязкость, твердость, усталость и выносливость.

1.2.1. Механические свойства металлов при статических нагрузках.
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием внешних сил.
В результате механических испытаний (статических и динамических) получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще всего применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.
Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 14973). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рисунок 1.12).
Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений (, величина которых является условной:

13 EMBED Equation.3 1415,

где P – внешняя нагрузка;
F0 – исходная площадь поперечного сечения образца.


















Рисунок 1.12. Диаграмма растяжения металлов для условных
(кривая 1) и истинных (кривая 2) напряжений:
I – область упругой деформации; II – область пластической деформации; III – область развития трещин

До точки А деформация пропорциональна напряжению и подчиняется закону Гука. Наклон прямой ОА характеризует модуль упругости материала

Е = 13 EMBED Equation.3 1415,

Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характеризует сопротивление материала упругой деформации.
Модуль упругости практически не зависит от структуры металла, и определятся силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в широких пределах.
Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности ((пц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформации по отношению к оси напряжений увеличивается на 50 % от своего значения на линейном участке.
Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05 % от первоначальной длины образца ((0,05).
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести ((0,2). Предел текучести (0,2 используется в расчетах конструкций, некоторая доля от (0,2 определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию.
Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности (в.
У пластичных металлов, начиная с напряжения (в, деформация сосредотачивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка.
В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародыши пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рисунке 1.12).
Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение

13 EMBED Equation.3 1415,
и относительное сужение

13 EMBED Equation.3 1415,

где l0 и lк – длина образца;
F0 и Fк – площадь поперечного сечения образца до испытания и после разрушения соответственно.

Диаграмма истинных напряжений (кривая 2, см. рисунок 1.12) получается как отношение усилия к площади поперечного сечения шейки, а истинное сопротивление отрыву (к – как отношение усилия в момент разрушения Рк к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:


·k = 13 EMBED Equation.3 1415,

В случае хрупкого разрушения (в ( (к определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала. В конструкторских расчетах (в и (к практически не используются, т. к. трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пластической деформации отдельных деталей или узлов.
Кривая 2 на рисунке 1.12 показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп). Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения

K = 13 EMBED Equation.3 1415,

Хрупкое разрушение деталей машин обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макроскопической деформации.
Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины технологического происхождения и трещиноподобные дефекты (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. п.) или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины, а не ее зарождению. Так как высокопрочные материалы обладают определенной пластичностью, то для них реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины lкр. Подрастание трещины до lкр тормозится в них местной пластической деформацией.
Но при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается и происходит самопроизвольное разрушение.
Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К, называемый коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины.
Он определяет растягивающее напряжение (у в направлении, перпендикулярном плоскости трещины, в любой точке (рисунок 1.13) впереди вершины трещины:

·y = 13 EMBED Equation.3 1415,
где x – расстояние от вершины трещины.

Критерий К для наиболее жесткого нагружения, плоской деформации растяжением, обозначают К1, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную - К1с. Критерий К1с показывает, какого значения достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное среднее напряжение (ср (вдали от трещины) с критической длиной трещины:

K1c =
·ср13 EMBED Equation.3 1415,
где ( - безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.














Рисунок 1.13. Зависимость напряжения от расстояния от вершины трещины

Значение К1с определяют экспериментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной ( рисунок 1.14).












Рисунок 1.14. Образец для определения К1с

Для расчета К1с при нагружении образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую величину и перехода ее к нестабильному распространению.
Величина К1с зависит от степени пластической деформации у вершины трещины и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К1с называют также вязкостью разрушения. Чем он больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность.
Значение К1с позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта.
Например, при рабочем напряжении (р (рисунок1.15) трещина длиной l будет безопасной для материала II (кривая II) и вызовет разрушение в материале I (кривая I), имеющего меньшее значение К1с (К1сI < К1сII).














Рисунок 1.15. Зависимость критического напряжения ( от размера дефекта l для двух материалов (I и II) с разным значением К1с(К1сI < К1сII).

Твердостью материала называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии (внедрении) индентора на поверхностные слои материала.
Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в изделиях и деталях. Существует несколько способов измерения твердости.
Определение твердости по Бринеллю основано на том, что в плоскую поверхность металла под постоянной нагрузкой P (Н) вдавливается твердый стальной шарик (рисунок 1.16, а). После снятия нагрузки в испытуемом металле образуется отпечаток (лунка).
а б в
Рисунок 1.16. Схемы определения твердости:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю определяется отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка. Если диаметры шарика D и отпечатка d выражены в метрах, то твердость по Бринеллю:

13 EMBED Equation.3 1415,
При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и Р = 30000 Н, при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 10000 Н, а при испытании очень мягких металлов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм и Р = 2500 Н.
При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром 5 и 2,5 мм.
Для определения твердости измеряют диаметр лунки d (в мм) и находят по нему число твердости по Бринеллю (НВ) по специальным таблицам. Это число соответствует твердости, выраженной в кгс/мм2.
Для перевода числа твердости в систему СИ его умножают на коэффициент К = 9,81 МПа.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более 4500 МПа.
Твердость НВ можно использовать для приближенной оценки статической прочности. Например, для стали справедливо эмпирическое соотношение (В = НВ/3.
Твердость по Роквеллу определяют по глубине отпечатка. Наконечником (индентором) служит алмазный конус с углом при вершине 120 ( или стальной закаленный шарик (d = 1,588 мм). Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик – для мягких. Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рисунок 1.16, б), предварительной Р0 = 100 Н и общей Р = Р0 + Р1, где Р1 – основная нагрузка. Основная нагрузка составляет 900 Н для шарика (шкала В), 1400 Н для алмазного конуса (шкала С) и 500 Н при испытании очень твердых и тонких металлов (шкала А).
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах.
За единицу твердости принято значение осевого перемещения наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу HR определяют по формулам HR = 100 – е (при измерении по шкалам А и С), HR = 130 - е (при измерении по шкале В).
Значение е определяется соотношением:
е = 13 EMBED Equation.3 1415,

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлением предварительной нагрузки Р0, мм;
h0 – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р0, мм.
Твердость по Роквеллу обозначается HRA при нагрузке 600 Н (испытание алмазным конусом). HRC при нагрузке 1500 Н и HRB при нагрузке 1000 Н (испытание стальным шариком). Значения твердости сразу считывают по шкале прибора.
Определение твердости по Виккерсу используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Твердость определяют, вдавливая в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырехгранную алмазную пирамиду (рисунок 1.16, в), с углом при вершине 136є. Твердость по Виккерсу, HV (МПа) рассчитывают по формуле:

HV=13 EMBED Equation.3 1415,
где Р – нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 или 1200 Н (обозначения: НV5, НV10, НV20 и т.д.);
d – среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердость по Виккерсу определяется с помощью специальных таблиц по измеряемым значениям отпечатка d в мм. Перевод чисел твердости HV в систему СИ аналогичен переводу чисел твердости HB.
Определение микротвердости H( (Н(, ГОСТ 94506) применяется для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой (0,022)Н.
Микротвердость H( определяется по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. Образцы для измерений подготавливаются так же, как микрошлифы.

1.2.2. Механические свойства при динамических нагрузках
Динамические испытания – это испытания, при которых скорость перемещения захватов машины составляет более 10 мм/мин или происходит приложение нагрузки ударом. При такой скорости нагружения могут быть определены динамические свойства при растяжении (или сжатии), параметры динамической вязкости разрушения, а также ударная вязкость при изгибе.
Динамические испытания проводят для определения условий возникновения хрупкого состояния (отпускная хрупкость, хладноломкость, синеломкость и др.), для оценки поведения материалов в условиях повышенной скорости деформирования и для выявления структурных изменений.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Основным образцом по ГОСТ 9454 служит стержень с квадратным сечением 10(10 мм, длиной 55 мм и надрезом (концентратором напряжения) посередине длины. Надрез бывает U – образным (шириной и глубиной 2мм, радиусом закругления 1 мм), V – образным (с радиусом закругления 0,25 мм) и с усталостной трещиной (рисунок 1.17).
При испытании образцов расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 30( и радиусом закругления 2 мм.






а б в
Рисунок 1.17. Виды образцов для испытаний на ударный изгиб:
а – с U – образным надрезом; б – с V – образным надрезом; в – с усталостной трещиной (Т-надрез)

Испытания на изгиб проводят на маятниковых копрах. Схема испытания приведена на рисунке 1.18
Величина работы деформации и разрушения А определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол () и конечный (после взлета на угол () моменты испытания:

A = PL(cos
· – cos
·),

где Р – вес маятника;
L – длина маятника.

Зная полную работу деформации и разрушения А, можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате данных испытаний – ударную вязкость (Дж/м2):

KC = 13 EMBED Equation.3 1415,

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.

















Рисунок 1.18. Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре

В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или Т): KCU, KCV или КСТ.
1.2.3. Механические свойства при циклических нагрузках
Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений (циклических нагрузках) может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже (0,2.
Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещины и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости выносливостью.
Испытание на усталость (ГОСТ 12860) проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольного большого или заданного числа циклов нагружения. За максимальное (max и минимальное (min напряжение цикла принимают наибольшее и наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии:

R = 13 EMBED Equation.3 1415,

Если R = -1, то цикл называется симметричным, если (max и (min не равны по величине, то цикл асимметричный.
Предел выносливости обозначают (R, а при симметричном цикле - (-1. Предел выносливости определяют на вращающемся образце гладком или с надрезом с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу. Для определения используют не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов.
По результатам испытаний отдельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рисунок. 1.19).















Рисунок 1.19. Кривые усталости (диаграммы Велера)

С уменьшением (max долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. (max, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости (R (рисунок 1.19, кривая 1).
Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает металл или сплав в течение заданного числа циклов нагружения.
База испытания N должна быть не ниже 107 для стали и 108 для легких металлов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рисунок 1.19, кривая 2).

1.2.4. Эксплуатационные свойства
При трении сопряженных поверхностей имеет место износ, под которым понимают постепенное изменение размеров тела вследствие отделения с поверхности трения материала и его остаточной деформации.
Изнашивание является сложным физико-химическим процессом и нередко сопровождается коррозией.
Свойство материала оказывать сопротивление оценивается величиной, обратной интенсивности изнашивания, принято называть износостойкостью.
При постоянных условиях трения наблюдается три стадии изнашивания:
1) период приработки, при котором происходит интенсивное изнашивание, материал наклепывается и устанавливается равновесная шероховатость поверхности;
2) период установившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения;
3) период катастрофического износа.


За основу инженерной характеристики изнашивания принята интенсивность линейного износа

I = 13 EMBED Equation.3 1415,
где h – линейный износ;
Lтр – путь трения.

Интенсивность изнашивания I изменяется от 10-3 до 10-13.
Так, например, интенсивность изнашивания гильз цилиндра, поршневых колец, шатунных и коренных шеек коленчатого вала составляет 10-11 10-12, режущего инструмента – 10-6 10-8, зубьев ковшей экскаваторов - 10-3 10-4.
В зависимости от величины интенсивности изнашивания введено 10 классов износостойкости от 0 до 9. Классы 05 (I = 10-1310-7) соответствуют упругому деформированию поверхностей, классы 67 (I = 10-7 10-5) – упругопластическому деформированию, классы 89 (I = 10-5 10-3)- микро резанию.
Испытания на износ проводят для пары цилиндрических образцов в виде роликов при трении качения с принудительным проскальзыванием, для пары цилиндрический ролик – вкладыш при трении скольжения, на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (на шкурке) испытуемого и эталонного образцов при статической нагрузке в отсутствии нагрева согласно ГОСТ 17367 (рисунок 1.20).
а б в
Рисунок 1.20. Методы испытания на изнашивание: а – качение цилиндрических роликов с принудительным проскальзыванием; б – трение цилиндрических поверхностей роликов и вкладышей при вращении ролика; в – трение образца об абразивную поверхность

1.2.5. Неразрушающие методы контроля металлов и сплавов.
Методы неразрушающего контроля основаны на взаимодействии различных форм энергии с материей. Они предназначаются для определения вида, величины и частоты расположения дефектов и часто используются для непрерывного контроля параметров качества.
Согласно общепринятой классификации все методы неразрушающего контроля делят на группы – виды. Существует девять различных видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковой, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами (капиллярный и течеискания).
Магнитный вид основан на анализе взаимодействия магнитного поля с объектом контроля. Его применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов путем намагничивания между магнитными полюсами. Над возможными дефектами магнитное поле как бы «выпучивается» и отмечаются места по оседанию магнитного порошка или с помощью электромагнитных датчиков.
Электрический метод основан на анализе взаимодействия электрического поля с объектом контроля. Место с предполагаемым дефектом помещают между электрическими контактами, подается электрический ток, который огибает дефект и вызывает падение электрического потенциала тем больше, чем глубже дефект.
Вихретоковый метод аналогичен действию электрического метода и основан на помехах возникновения токов Фуко вокруг предполагаемого дефекта. При этом не требуется непосредственного контакта преобразователей с изделием.
Оптический метод основан на визуальном обнаружении дефекта при помощи лупы или микроскопа.
Радиационный метод контроля основан на применении рентгеновского или гамма-излучения после его взаимодействия с объектом контроля. Излучение меньше ослабляется дефектом по сравнению с основным (сплошным) металлом.
Капиллярный метод основан на проникновении в полость поверхностного дефекта смачивающих жидкостей. Оставшуюся в дефекте жидкость извлекают специальным проявляющим порошком или краской. Следы жидкости видны на поверхности, обозначая дефект.
Акустический (ультразвуковой) метод позволяет выявлять дефекты как на поверхности, так и внутри изделия. Ультразвуковая дефектоскопия использует для обнаружения дефектов упругие колебания волнового характера. При этом используют как активные, так и пассивные колебания и волны. О наличии дефекта судят по измеренной амплитуде или времени прихода прошедшего от излучателя к приемнику сигнала. Дефект ослабляет сквозной сигнал.
Рентгеноструктурный анализ используют для изучения кристаллической структуры объекта. Этот метод позволяет определить ориентацию и размеры кристаллов, их атомное и ионное строение, измерить внутренние напряжения, превращения, происшедшие в материалах под влиянием давления, температуры, влажности. Кроме того, данный метод осуществляет точное идентифицирование того или иного материала.

1.2.6. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов.
Пластическая деформация поликристаллического металла протекает путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна.
При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла.
В результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму.
До деформации зерно имело округлую форму (рисунок 1.21, а), после деформации в результате смещения скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рисунок 1.21, б).
Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориентировки между ними.
При большой степени деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил называется текстурой деформации.
Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение т. д.).
Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств материала.















а б
Рисунок 1.21. Изменение формы зерна металла в результате пластической деформации: а – схема микроструктуры до деформации; б – схема микроструктуры после деформации

С увеличением степени холодной, происходящей при температуре ниже (0,150,2)Т0, деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации ((в, (0,2, НВ и др.) повышаются, а способность к пластической деформации – пластичность (( и () уменьшается (рисунок 1.22).















Рисунок 1.22. Влияние степени пластической деформации ( на механические свойства низкоуглеродистой стали
Это явление называется наклепом.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Наибольшее влияние имеет увеличение плотности дислокаций.
Металлы с ГЦК. Решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. В результате холодной деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электрическое сопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

1.2.7. Разрушение металлов
Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит или в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну трещину, по которой происходит разрушение.
Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм возникновения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствиями (границами зерен, межфазными границами, включениями и т. д.).
При большой плотности дислокаций происходит их слияние с образованием микротрещины.
Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012 1013 см-2.
При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина при заданном напряжении превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины имеет радиус у вершины, соизмеримый с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. Распространяющаяся трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. Скорость распространения хрупкой трещины в стали достигает 2500 м/с.
Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. При вязком разрушении величина зоны пластической деформации, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина имеет большой радиус закругления.
По внешнему виду изломы различают:
1) кристаллический (светлый) излом, поверхность которого характеризуется наличием блестящих плоских участков, такой излом свойственен хрупкому разрушению;
2) волокнистый (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы – волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разрушения, такой излом свидетельствует о вязком разрушении.
На рисунке 1. 23 показаны различные виды изломов.














а б

Рисунок 1. 23. Виды изломов: а – хрупкий; б – вязкий

Разрушение может происходить только под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения:
- отрыв в результате действия растягивающих напряжений;
- срез под действием касательных напряжений.

Например, при растяжении отрыв происходит по плоскостям, перпендикулярным приложенной нагрузке (рисунок 1.24, а), а срез по плоскостям, составляющим с приложенной нагрузкой угол 45( (рисунок 1.24, б).
При сжатии отрыв происходит по плоскостям, параллельным приложенной нагрузке (рис. 1.24, в), а срез так же, как и при растяжении (рисунок 1.24, г).













а б в г
Рисунок 1.24. Схемы разрушения путем отрыва и среза: а , б – отрыв и срез при растяжении; в, г – отрыв и срез при сжатии

Считается, что отрыв может произойти без предварительной пластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует.
Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому разрушению.
Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву, но повышает сопротивление пластической деформации. При некоторой температуре, называемой критической температурой хрупкости или порогом хладноломкости эти сопротивления становятся равными. Ниже этой температуры металл становится хрупким.
Склонность к хрупкому разрушению возрастает при увеличении скорости деформирования, при наличии концентраторов напряжений (надрезов) и увеличении размеров изделия.
В сталях при температурах 200400
·С возникают синие цвета побежалости, что, в свою очередь подразумевает понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности. Такой процесс называют синеломкость.
При исследовании характера разрушения применяется фрактографический метод, который основан на визуальном или с использованием оптического, или электронного микроскопов изучении изломов металлов и сплавов. Фрактография разрушений при статических нагрузках занимается не только исследованием пластических деформаций в зоне поверхностного излома, но также объясняет поведение каждого элемента структуры материала при больших пластических деформациях. В оценке формы и характера поверхности излома играет наличие заметных неровностей поверхности.

1.2.8. Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве.
Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии накапливается в металле в виде повышенной плотности дефектов (вакансий и, главным образом, дислокаций). О накоплении энергии свидетельствуют также остаточные напряжения, появляющиеся в результате деформации. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. В процессе нагрева такого металла в нем протекают процессы, обуславливающие возвращение всех свойств к исходным свойствам металла до деформации.
При нагреве до температур (0,20,3)Т0 начинается процесс возврата, при котором повышается структурное совершенство наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов строения без изменения заметных изменений микроструктуры, т. е. размера и формы зерен.
В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах порядка 0,2Т0, протекает первая стадия возврата, называемая отдыхом, на которой происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и небольшая перегруппировка дислокаций, приводящая к уменьшению их плотности и уменьшению остаточных напряжений.
После небольших деформаций при нагреве до (0,250,3)Т0 протекает вторая стадия возврата, называемая полигонизацией, при которой кристаллиты фрагментируются на субзерна (полигоны), свободные от дислокаций. Путем движения дислокаций и выстраивания их в стенки образуются малоугловые границы (рисунок 1.25).


Рисунок 1.25. Схема полигонизации

После пластической деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации, и при достижении определенной температуры образуются и растут новые равноосные зерна. Этот процесс называется рекристаллизацией. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика и составляет от 2 до 8 %.
В частности, для алюминия она близка к 2 %, для железа и меди – к 5 %.
Температура начала рекристаллизации для чистых металлов составляет (0,10,2)Т0, для технически чистых металлов – 0,4Т0, для сплавов, образующих твердый раствор – (0,50,6)Т0.
Размер зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева. Зависимость размера зерна от степени деформации и температуры обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рисунки 1.26, 1.27).













Рисунок 1.26. Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от степени деформации (: D0 – размер исходного зерна
При степенях деформации немного превышающих критическое значение (крит, размер получаемого зерна больше исходного размера D0 до деформации и рекристаллизации. Затем при увеличении степени деформации размер получаемого зерна уменьшается и может стать значительно меньше исходного. При степенях деформации, превышающих ( 40 %, размер получаемого мелкого зерна не меняется.
















Рисунок 1.27. Диаграмма рекристаллизации технически чистого железа

Зарождение зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке. При этом высокоугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.
Эта стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.
Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рисунок 1.28).
По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры. Эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией
Этот процесс развивается в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии границ зерен.
а б в г
Рисунок 1.28. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при рекристаллизации: а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в – завершение первичной рекристаллизации; г – собирательная рекристаллизация

Возврат приводит к уменьшению электрического сопротивления, повышению плотности металла, уменьшению твердости и прочности на 1015 % первоначальных значений и соответственно увеличению пластичности.
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.
Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рисунок 1.29).
Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации.












а б
Рисунок 1.29. Схемы изменения: а – твердости; б - пластичности наклепанного металла при нагреве: I – возврат; II – первичная рекристаллизация; III – собирательная кристаллизация

Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов.
При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров тела, что объясняется тепловым расширением. При этом определяются критические точки, изучается процесс распада твердых растворов, устанавливаются температурные интервалы существования упрочняющих фаз. Эти явления определяются с помощью дилатометрического метода.

Контрольные вопросы:
1. Что такое синеломкость?
2. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?
3. Что происходит в металле при упругой деформации?
4. Как протекает пластическая деформация?
5. Чем отличается деформация поликристалла от деформации монокристалла?
6. В чем особенность определение твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?
7. Чем объяснить упрочнение металла (наклеп) в процессе деформации?
8. Что входит в группы химических, механических, технологических свойств?
9. Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?
10. Каким условием определяется порог хладноломкости?
11. Каковы особенности структуры вязкого и хрупкого изломов?
12. Что определяется при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, истирание, ползучесть и кручение?
13. В чем заключается методика определения ударной вязкости?
14. Каким воздействием может быть вызвана деформация?
15. Чем отличаются истинные напряжения от условных?
16. В чем сущность методов определения дефектов: фрактографического, дилатометрического, магнитного, ультразвукового, рентгеновского?

1.3. Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах. Основные типы диаграмм состояния.
1.3.1. Фазы в металлических сплавах
В сплавах в зависимости от взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические или интерметаллические соединения.
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).
Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рисунок 1.30, б). При образовании твердого раствора замещения (рисунок1.30, а) атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя, но взаимное расположение всех атомов, как правило, является статистически неупорядоченным.


а б в
Рисунок 1.30. Схема твердых растворов: а – замещения;
б, в – внедрения в ГЦК и ОЦК решетках

При образовании твердого раствора внедрения (рисунок 1.30, б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.
Например, в плотноупакованной ГЦК решетке наиболее подходящими будут октаэдрические поры в центре элементарной ячейки (рисунок 1.30, б). В ОЦК решетке наибольший объем поры будет в центре грани (рисунок 1.30, в).
Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой кристаллические зерна, в которых, как правило, микроскопическим способом не наблюдается выделений.
В металловедении принято обозначать чистые компоненты большими буквами латинского алфавита А, В, С, а твердые растворы – малыми буквами греческого алфавита (, (, ( и т. д.
Упорядоченные твердые растворы теми же буквами со штрихом (/, (/, (/ и т. д.
Все металлы могут в той или иной степени растворяться один в другом в твердом состоянии. В тех случаях, когда компоненты могут замещать один другого в кристаллической решетке в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых растворов.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:
1) компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками;
2) различие в атомных размерах не должно превышать 915 %;
3) компоненты должны принадлежать к одной группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в атомах.
Например, неограниченно растворяются в твердом состоянии Ag и Au, Ni и Cu, Mo и W.
Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле углерода, азота, водорода. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации.
Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений следующие:
1) кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение;
2) всегда сохраняется простое кратное соотношение элементов AnBm, где n и m – целые числа;
3) свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;
4) температура плавления или диссоциации постоянна;
5) образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов.
Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы: Mg2Sn, Mg3Sb2, MgS и др.
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Например, интерметаллидами являются соединения NiAl и Cu3Al. Химическая связь между атомами в интерметаллидах чаще всего сохраняется металлической. Соединения металлов с неметаллом, которые могут обладать металлической связью, называют металлическими соединениями (нитриды, карбиды и гидриды).

1.3.2. Экспериментальные методы построения диаграмм состояния
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации.
Экспериментальное построение диаграмм состояния возможно благодаря тому, что любое фазовое превращение сплава сопровождается изменением физико-механических свойств (электрического сопротивления, удельных объемов и др.) или тепловым эффектом. Переход сплава из жидкого состояния в твердое сопровождается значительным выделением теплоты, поэтому, измеряя зависимость температуры от времени при нагреве или охлаждении, можно по перегибам или остановкам на кривых охлаждения определить критические температуры, при которых происходят фазовые превращения.
Для того чтобы зафиксировать превращения в твердом состоянии, сопровождаемые малыми тепловыми эффектами, обычно измеряют зависимость от температуры какой-либо физической величины, значительно изменяющейся при фазовых превращениях. Например, можно использовать зависимость длины образца от температуры (рисунок 1.31).













Рисунок 1.31. Схема изменения длины железного образца в зависимости от температуры нагрева

Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием компонентов А и В.
Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, т. е. температуры фазовых превращений. Полученные значения температуры откладывают на вертикальных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния.
Пример построения одной из простейших диаграмм состояния приведен на рисунке 1.32, где линия ликвидус – геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов, а линия солидус соответствует концу кристаллизации. Эти линии разделяют диаграммы состояния на области с различным фазовым составом.
Положение линий на диаграмме зависит от скорости охлаждения сплавов, поэтому температуры критических точек при построении диаграммы состояния определяют при медленных охлаждениях или нагревах. Такие диаграммы называют равновесными.














Рисунок 1.32. Схема построения диаграммы состояния


Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз (Гиббса).
Правило фаз при постоянном давлении выражается уравнением:

С = К + 1 – Ф,

где К – число компонентов в системе;
Ф – число фаз;
С – число степеней свободы.

Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура), которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
Из правила фаз следует, что в двойной системе при постоянном давлении не может одновременно существовать более трех фаз. Три фазы существуют при С = 0, т. е. при определенных составе фаз и температуре. Для однофазного состояния правило фаз не применяют.

1.3.3. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях представлена на рисунке 1.33.















Рисунок 1.33. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

Такая диаграмма (см. рисунок 1.33) имеет простой вид и состоит из двух линий – ликвидус и солидус, пересекающихся между собой в точках кристаллизации чистых компонентов А и В. Все сплавы затвердевают в некотором интервале температур (С = 1). Диаграммы такого типа имеют системы Ni-Cu, Ag-Au, Mo-V, Mo-W и др.
Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил.
Правило определения состава фаз (правило концентраций).
Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку (см. рисунок 1.33, точка с), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (a и b) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз (xa и xb).
Правило определения количественного соотношения фаз (правило отрезков).
Через данную точку c проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии (коноды) между точкой с и точками a и b, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам (объемам, массам) этих фаз:

13 EMBED Equation.3 1415,

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния и не имеют смысла в однофазной области.
Используя эти два правила и привлекая еще дополнительно правило фаз, можно «прочитать» любую сложную диаграмму.
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику (рисунок 1.34).
В сплавах , составы которых расположены в областях ( и (, образуются однородные твердые растворы: (, на базе компонента А, с кристаллической решеткой, характерной для этого компонента, и ( с кристаллической решеткой компонента В.
Предельная растворимость компонента A в компоненте B определяется линией FQ, и эта растворимость не изменяется или изменяется незначительно.

















Рисунок 1.34. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику

Твердый раствор компонента B в компоненте A является раствором не только ограниченной, но и переменной растворимости. Линия EP является линией растворимости, которая определяет равновесное содержание растворенного компонента при изменении температуры.
Максимальное содержание компонента B в (-фазе определяется точкой E и при охлаждении снижается до точки P.
Для сплавов с составами от точки E до точки F при постоянной температуре, соответствующей линии EF происходит эвтектическая реакция, при которой жидкая фаза кристаллизуется с одновременным выделением двух твердых фаз определенной концентрации

ЖC ( (E + (F,

В результате образуется смесь двух фаз, которую называют эвтектикой.
Для эвтектики характерно определенное количественное соотношение фаз, которое определяется правилом отрезков:

13 EMBED Equation.3 1415,

Сплав с содержанием компонента B, соответствующим точке C, называется эвтектическим.
Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют перитектику (рисунок 1.35).
В сплавах с содержанием компонента B меньше xC или больше xF кристаллизация приводит к образованию однофазных сплавов ( и ( соответственно.














Рисунок 1.35. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют перитектику

В сплавах с содержанием компонента B от xD до xF при постоянной температуре tп происходит перитектическое превращение, в результате которого жидкая фаза ЖD и твердая фаза (F, взаимодействуя между собой, образуют новую твердую фазу (C:
ЖD + (F, ( (C.

Количество фаз ЖD и (F, необходимое для образования фазы (C определяется соотношением отрезков

13 EMBED Equation.3 1415,


Сплав состава xC называется перитектическим.
Перитектической реакции предшествует выделение кристаллов (-фазы из расплава. В сплавах до- и заперитектических после перитектической реакции остается избыточная жидкая фаза или (-фаза соответственно.
Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов (рисунок 1.36).













Рисунок 1.36. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов

Сплавы с содержанием компонента B менее xa изменяет кристаллическую структуру в результате охлаждения в интервале температур. Это вызвано полиморфизмом компонента A. который до температуры tпр имеет тип кристаллической решетки (, а при более высокой температуре - (. Причем кристаллическая решетка ( такая же, как у компонента B, в результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых растворов.
В сплавах, составы которых лежат между xa и xb, превращение ( ( ( при охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным. Сплавы с содержанием компонента B более xb превращений в твердом состоянии не имеют.
Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением показана на рисунке 1.37.
Из анализа диаграммы следует, что после кристаллизации всех сплавов данной системы в определенном интервале температур образуется твердый раствор (, который в результате охлаждения при постоянной температуре tэ испытывает эвтектоидное превращение (C ( (E + (F. Образовавшуюся смесь двух фаз принято называть эвтектоидом.













Рисунок 1.37. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

В связи с переменной растворимостью компонентов в твердых растворах ( и ( при дальнейшем охлаждении следуют вторичные выделения твердых растворов.
Правило Курнакова Н. С. определяет связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния. Между составом и структурой сплава имеется определенная зависимость (рисунок 1.38).
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415
а б в

Рисунок 1.38. Диаграмма состав-свойства для сплавов типа: а механическая смесь; б – твердый раствор; в – химическое соединение; А и В – компоненты сплава, АmВn – химическое соединение, Н – твердость, Е – электропроводность

В механических смесях свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются линейно (рисунок 1.38, а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рисунок 1.38, б). В химических соединениях свойства выражаются ломанными линиями (рисунок 1.38, в).
При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств.
Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, наиболее часто резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.
По диаграммам состояния можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий.
Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (низкая жидкотекучесть, склонны к образованию трещин и пористости), а эвтектические сплавы, напротив, имеют хорошую жидкотекучесть.

Контрольные вопросы:
1. Что такое фаза, химическое соединение, твердый раствор, механическая смесь?
2. Как влияют фосфор, сера, кремний и марганец на графитизацию?
3. Какие твердые растворы соответствуют диаграммам первого, второго, третьего и четвертого родов?
4. Что определяется по правилу фаз (Гиббса)?
5. Что определяется по правилу отрезков?
6. Что определяется по правилу Курнакова?

1.4. Диаграмма железо – цементит.
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо - углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железо – углеродистые сплавы.
Имеются две диаграммы состояния железо – углеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо – карбид железа (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе железо – графит.
Диаграмма состояния железо – цементит приведена на рисунке 1.39, где пунктиром показано положение линий для системы железо – графит.
В системах железо – цементит и железо – графит различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК кристаллической решеткой. Различают низкотемпературный (-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный (-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %.
Феррит представляет собой мягкую пластичную фазу: (в = 300 МПа; ( = 40 %; ( = 70 %; KCU = 2,5 МДж/м2; НВ = 800-1000 МПа.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в (-железе с ГЦК кристаллической решеткой Предельная концентрация углерода в аустените – 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ = 1600-2000 МПа).
Цементит (Ц) – это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку, очень хрупок и имеет высокую твердость НВ = 8000 МПа. Слабо ферромагнитен до 210 (С.
Графит (Г) имеет гексагональную, слоистую кристаллическую решетку. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью.
При охлаждении из расплава до комнатной температуры в системе железо – цементит происходят следующие превращения:
1) первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (AHJECF);
2) вторичная кристаллизация, вызванная превращением железа одной модификации в другую (между линиями GS и GPS) и переменной растворимостью углерода в аустените (линия ES) и феррите (линия PQ). Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкости, называется первичным; цементит, выделяющийся из аустенита – вторичным; цементит, выделяющийся из феррита – третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES – линией вторичного цементита, PQ – линией третичного цементита;
3) перитектическое превращение на линии HJB (1499 (С)
ФH + ЖВ ( АJ;
4) эвтектическое превращение на линии ECF (1147 (С)
ЖС ( АЕ + Ц;
5) эвтектоидное превращение на линии PSK (727 (С)
АS ( ФР + Ц

Рисунок 1.39. Диаграмма состояния железо – цементит (графит): пунктиром показано положение линий диаграммы для системы железо – графит

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом. Перлит (содержит 0,8 % С) и ледебурит (4,3 % С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.
Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: (в = 800900 МПа; (0,2 = 450 МПа; ( ( 16 %; НВ = 18002200 МПа.
При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 2025 (С ледебурит представляет собой сплошную цементитную матрицу, в которой расположены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит его большой твердости (НВ > 6000 МПа) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.
Железоуглеродистые сплавы по содержанию углерода и структуре подразделяются на несколько групп:
1) техническое железо, содержащее до 0,02 % С (в структуре феррит и третичный цементит по границам зерен);
2) доэвтектоидная сталь, содержащая от 0,02 до 0,8 % С (в структуре феррит и перлит);
3) эвтектоидная сталь, содержащая 0,8 % С (в структуре перлит);
4) заэвтектоидная сталь, содержащая от 0,8 до 2,14 % С (в структуре перлит и цементит по границам зерен);
5) белый чугун, содержащий более 2,14% С (в структуре имеется ледебурит, и излом имеет специфический белый блеск).

Контрольные вопросы:

1. Что характеризует точки А0 (210°С), А1 (727°С), А2 (768°С), А3 (910°С),А4 (1392°С) и Аm на диаграмме Fe - Fe3C?
2. Что такое линия ликвидус?
3. Что такое линия солидус?
4. Что характеризуется точками A, J, N, E, C, G, S на диаграмме Fe - Fe3C?
5. Что характеризуют линии GS, SE, PQ, HJB, ECF, PSK на диаграмме Fe - Fe3C?
6. Что такое эвтектика?
7. Что и при каких условиях получается из аустенита при охлаждении?
8. Что представляет собой диаграмма состояния?
9. Какие превращения происходят при температуре 1147°С на диаграмме «железо-цементит»?
10. Какие превращения происходят при температуре 727°С на диаграмме «железо-цементит»?


Тема 2. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВОВ.

2.1. Основы термической обработки.
Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.
Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.
Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.
Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретного вида отжига. Скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 30200 (С/ч.
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии – полиморфные превращения твердых растворов, распад твердого раствора по эвтектоидной реакции, переменная растворимость и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при снижении температуры.
Отпуск и старение – термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, а термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.
Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. При этом температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения обычно не влияет на структуру и свойства сплавов.
Поскольку термообработка связана с изменением температуры, необходимо рассмотреть, какие процессы протекают в материалах при нагреве и охлаждении.

2.1.1. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния
Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазовых равновесий указаны на диаграмме состояния Fe – Fe3C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (рисунок 2.1).
Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А1, температуру магнитного превращения – А2 (линия МО), температуру линии GS – А3, температуру полиморфного превращения Fe( ( Fe( (линия NJ) – А4, температуру линии SE – Аm.
Вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве – индекс c, при охлаждении – индекс r. Магнитное превращение не имеет гистерезиса.
Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой.
При нагреве до температуры АС1 происходит растворение в феррите некоторого количества цементита в соответствии с линией предельной растворимости PQ (рисунок 2.1).


Рисунок 2.1. Обозначения температур фазовых превращений в сталях

При достижении температуры АС1 в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2. Схема зарождения и роста кристаллов аустенита при температуре АС1

Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного ( ( ( - перехода и растворения в (-Fe кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершении превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется некоторое время.
Поскольку в каждой перлитной колонии имеется несколько центров кристаллизации аустенита, превращение при температуре АС1 сопровождается измельчением зерна стали. Число зарождающихся при температуре АС1 кристаллов аустенита возрастает с увеличением дисперсности перлита и скорости нагрева. В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В доэвтектоидных сталях при нагреве от АС1 до АС3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных сталях при нагреве от АС1 до АСm – растворение избыточного цементита в аустените.
Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.
Повышение температуры стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерен аустенита – происходит процесс собирательной рекристаллизации.
Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми. Перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.
2.1.2. Превращения переохлажденного аустенита
Увеличивая скорость охлаждения стали или, вводя в сталь легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.
В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит в условиях непрерывного охлаждения или изотермически (при постоянной температуре).
Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа:
1) диффузионные – перлитное и промежуточное (бейнитное);
2) бездиффузионное – мартенситное.

Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях.
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения – время. Обычно время откладывают на логарифмической шкале (рисунок 2.3).
Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить время начала и конца превращения.
При температурах, меньших точки Кюри, следят за изменением магнитных свойств стали, так как они наиболее резко изменяются – аустенит парамагнитен, а продукты превращения ферромагнитны.

























Рисунок 2. 3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали

Основные закономерности перлитного превращения рассмотрим на примере эвтектоидной стали.
Изотермический распад аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от Аr1 (720 (С) до Мн (220250 (С), где Мн – температура начала мартенситного превращения. Мартенситное превращение в эвтектоидной стали при постоянной температуре ниже точки Мн не происходит.
На диаграмме (рисунок 2.3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С» - С-образные кривые. Линия 1 указывает время начала превращения переохлажденного аустенита, линия 2 – конца превращения. Между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение. Правее линии 2 находится область, в которой существуют продукты превращения аустенита. Превращение аустенита при температурах в интервале Аr1–550 (С называют перлитным, а превращение при температурах в интервале 550 (С – Мн – промежуточным.
Центры кристаллизации перлитных колоний возникают преимущественно на границах зерен аустенита, при этом перлитные колонии растут во все стороны (рисунок 2.4).
При перлитном превращении полиморфный переход ( ( ( сопровождается перераспределением углерода. Для образования цементита необходимо перемещение атомов углерода на расстояния, значительно больше межатомных расстояний.
Строение перлитной структуры от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т. е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси.



Рисунок 2.4. Схема роста перлитных колоний

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита (Ф) и цементита (Ц) (см. рисунок 2.4).
Если превращение происходит при температурах более высоких, чем 650670 (С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 500700 нм. Такую смесь называют собственно перлитом (П).
Превращение при температуре 640590 (С дает межпластиночное расстояние 300400 нм, такую перлитную структуру называют сорбитом (С).
При температуре превращения 580550 (С межпластиночное расстояние уменьшается до 100200 нм, такую структуру называют трооститом (Т).
Указанное деление перлитных структур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения.
С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали. Лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.
В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (Б).
Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.
Превращение в данном участке объема начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом.
С уменьшением количества растворенного углерода повышается температура мартенситного превращения, поэтому мартенситное превращение происходит в первую очередь в обедненных углеродом зонах (-твердого раствора.
В зонах твердого раствора, обогащенных углеродом, происходит выделение мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, а по мере обеднения аустенита углеродом также развивается мартенситное превращение.
Аустенит к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от избыточного углерода, поэтому кристаллы феррита, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.
Бейнит, образовавшийся при температуре 400550 (С называют верхним, он имеет перистое строение.
Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним, он имеет пластинчатое строение.
Характерно, что промежуточное превращение не доходит до конца, часть аустенита остается непревращенной. Степень превращения убывает с повышением температуры.
Не превращенный аустенит либо сохраняется, либо превращается в мартенсит, что зависит от состава стали.
Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств.
Пониженная прочность из-за сохранения нераспавшегося аустенита сочетается с низкими пластичностью и вязкостью.
Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50100 (С выше мартенситной точки Мн.
Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях (рисунок 2.5) отличается от превращения в эвтектоидной стали тем, что в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (в доэвтектоидной стали) или цементит (в заэвтектоидной стали).
Начало выделения избыточного феррита или цементита на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой.
Количество выделяющейся избыточной фаза уменьшается с понижением температуры, и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования эвтектоида, который отличается от перлита иным составом.





а б в
Рисунок 2.5. Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита: а – доэвтектоидная сталь (0,45 % С); б – эвтектоидная сталь (0,8 % С); в – заэвтектоидная сталь (1,2 % С)


2.1.3. Мартенситное превращение. Структура и свойства мартенсита
Область мартенситного превращения показана на диаграммах изотермического превращения ниже температуры Мн. Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк.
Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т. е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит.
Аустенит может оставаться в структуре также тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6 % С и охлаждение ведут только до 0 (С (рисунок 2.6).
Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.
Мартенсит (М) представляет собой неравновесную фазу – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в (-железе. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали ((5000 м/с).


















Рисунок 2.6. Зависимость температур начала и окончания мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рисунок 2.7).












Рисунок 2.7. Схема образования мартенситных пластин в одном аустенитном зерне

Академик Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».
В процессе мартенситного превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку (-железа.
Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку .
На рисунке 2.8 крестиками показаны возможные места расположения атомов углерода.
Чем больше углерода было в аустените, тем большее число мест в элементарных ячейках мартенсита будет занято углеродом, и тем большими окажутся средние искажения кристаллической решетки.
Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода.












Рисунок 2.8. Тетрагональная ячейка кристаллической решетки мартенсита

На рисунке 2.9 показано влияние углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей.
Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую HRCэ 60, при содержании углерода, более 0,4 %. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита.
Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства.













Рисунок 2.9. Зависимость твердости мартенсита сталей от содержания углерода
2.1.4. Превращения в закаленных сталях при нагреве
В результате закалки сталей чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита.
При нагреве (отпуске) такой закаленной стали происходит несколько процессов:
1) распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов;
2) распад остаточного аустенита;
3) карбидное превращение;
4) коагуляция карбидов;
5) уменьшение несовершенства кристаллического строения и остаточных напряжений.
Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. На рисунке2.10 схематично показано изменение длины закаленного образца углеродистой стали при отпуске.
Первое превращение происходит в интервале температур 80200 (С, второе – 200260 (С, третье – 260380 (С.












Рисунок 2.10. Схема изменения длины цилиндрического образца стали с содержанием углерода более 0,6 % при отпуске

При первом превращении из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного (-карбида, имеющего гексагональную кристаллическую решетку и состав, близкий к Fe2C. Превращение с очень малой скоростью идет и без нагрева. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита – длина образца уменьшается.
При втором превращении одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. В мартенсите остается около 0,2 % растворенного углерода.
Распад аустенита происходит по бейнитному механизму и образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Начинается превращение (-карбида в цементит. При большом количестве исходного остаточного аустенита длина образца увеличивается.
При третьем превращении завершается распад мартенсита и карбидное превращение.
Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность кристаллической решетки устраняется и мартенсит переходит в феррит.
В структуре остается только карбид цементитного типа. Оба процесса вызывают увеличение плотности стали – длина образца уменьшается.
Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, очень дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как троостит. Ее называют трооститом отпуска.
Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращений, называют отпущенным мартенситом.
При более высоких температурах (380..700 (С) происходят изменения формы и размеров карбидов и структуры феррита. Если в интервале температур третьего превращения цементит имеет форму тонких пластин, то с повышением температуры происходит коагуляция – кристаллы цементита укрупняются (более мелкие кристаллы распадаются) и их форма приближается к сфероидальной.
В феррите устраняется высокая плотность дислокаций, созданная фазовым наклепом. Пластинчатые кристаллы феррита укрупняются за счет устранения границ и их форма приближается к равноосной.
Ферритно-карбидную смесь, которая образуется при температуре 450650 (С, называют сорбитом отпуска. После отпуска при температуре, близкой к температуре А1, образуется грубая ферритно-карбидная смесь – зернистый перлит.
При нагреве стали с дисперсными структурами перлита или бейнита происходит, коагуляция и сфероидизация карбидов. При отпуске бейнитных структур, помимо этого, происходит выделение карбидов из пересыщенного (-твердого раствора и изменение структуры феррита, как и при отпуске мартенсита.

Контрольные вопросы:
1. Что называется способностью, стали приобретать повышенную твердость при закалке?
2. Какой обработке подвергают сталь ШХ15 для стабилизации размеров подшипников?
3. Чем характеризуется «отдых»?
4. Чем характеризуется «старение»?
5. После охлаждения в какой среде закалочные напряжения меньше?
6. Какова скорость охлаждения углеродистых и легированных сталей?
7. Что такое термическая обработка?
8. Чем отличается перекристаллизация от рекристаллизации?

2.2. Отжиг и нормализация стали.
Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг I рода проводят для уменьшения химической или физической неоднородности, созданной предшествующими обработками. Существует несколько видов отжигов I рода.
Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая может приводить к хрупкому разрушению стали, обрабатываемой давлением. Нагрев при диффузионном отжиге должен составлять 11001200 (С.
Общая продолжительность диффузионного отжига, состоящего из нагрева, выдержки и медленного охлаждения составляет 50100 ч и более.
Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа и повышения пластичности перед холодной обработкой давлением. Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от ее состава и чаще всего находится в пределах 650760 (С. Продолжительность отжига может составлять от 0,5 до 12 ч.
Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и других обработок, в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации возникли остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров и коробление изделий в процессе его обработки, эксплуатации или хранения. Отжиг стальных изделий для снятия остаточных напряжений проводят при 160700 (С в течение 23 ч с последующим медленным охлаждением. Остаточные напряжения снимаются при других видах отжига, а также при отпуске.
Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) заключается в нагреве стали до температур выше точек АС3 или АС1, выдержке и последующем медленном охлаждении, в результате которого протекающие фазовые превращения приближают сталь к практически равновесному структурному состоянию и измельчают зерно. Этот вид отжига в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой.
Различают следующие виды отжига II рода: полный, изотермический, неполный и сфероидизирующий.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 3050 (С выше температуры, соответствующей точке А3, выдержке при этой температуре в течение 0,51,0 ч для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига получается мелкозернистая структура, обеспечивается высокая вязкость и пластичность.
При изотермическом отжиге сталь, обычно легированную, нагревают до точки А3 + (5070 (С) и сравнительно быстро охлаждают (обычно переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки А1 на 100150 (С, в зависимости от характера кривой изотермического распада аустенита (рисунок 2.11).

















Рисунок 2.11. Сопоставление способов охлаждения при фазовой перекристаллизации и закалке стали: 1 – полный и неполный отжиг; 2 – изотермический отжиг; 3 – изотермическая закалка; 4 – ступенчатая закалка, 5 – закалка в двух средах; 6 – непрерывная закалка

При этой температуре назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Преимущество изотермического отжига по сравнению с полным состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей.
Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки АС1). При неполном отжиге доэвтектоидной стали происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит, поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации.
Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда, когда требуется только снижение твердости.
Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу.
В этих сталях нагрев несколько выше точки АС1 (обычно на 1030 (С) вызывает практически полную перекристаллизацию металлической матрицы.
Сфероидизирующему отжигу подвергают инструментальную углеродистую (эвтектоидную и заэвтектоидную) сталь, содержащую от 0,8 до 2 % С перед обработкой резанием. Для этого ее нагревают несколько выше АС1 (750770 (С) и медленно охлаждают или изотермически выдерживают при субкритической температуре 650680 (С.
В результате такой обработки частицы цементита, не растворившегося при нагреве, и микрообъемы с повышенной концентрацией углерода в аустените из-за недостаточно полной ее гомогенизации служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении ниже точки А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализацию с нагревом выше Аcm для растворения сетки из вторичного цементита с последующим охлаждением на воздухе для предупреждения выделения этого цементита по границам аустенита.
Сталь с зернистым перлитом имеет более низкие значения твердости, временного сопротивления и, соответственно, более высокие относительные удлинения и сужения, хорошо обрабатывается резанием.
Кроме того, такая структура при последующей закалке стали обеспечивает мелкое зерно, расширяет интервал закалочных температур и уменьшает склонность к образованию трещин.
Нормализация отличается от полного отжига в основном условиями охлаждения. После нагрева на 5070 (С выше температуры АС3 или Асm сталь охлаждают на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.
Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Контрольные вопросы:

1. До какой температуры нагревают доэвтектоидные стали при нормализации?
2. Что такое «отжиг»?
3. Что такое «нормализация»?
4. При какой температуре производят полный отжиг углеродистой стали 45?
5. Когда следует производить отжиг первого рода?
6. Когда следует производить отжиг второго рода?
7. Когда следует производить изотермический отжиг?
8. Когда производится нормализация стали?



2.3. Закалка и отпуск стали.
2.3.1. Закалка сталей состоит в нагреве до температур выше температур фазовых превращений, выдержке при этой температуре для прогрева изделий и завершения превращений (( 1 мин на 1 мм толщины изделий) и быстром охлаждении в закалочной среде.
В качестве закалочных сред используют воду, масло, водные растворы солей и щелочей, водные растворы полимеров, расплавы солей и т. д.
Закалка сталей позволяет получить структуру наивысшей твердости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.
При равной твердости структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за исключением нижнего бейнита.
При полной закалке в результате нагрева сталь переводят в однофазное аустенитное состояние. Полной закалке подвергают доэвтектоидные стали, для которых оптимальная температура нагрева составляет АС3+(3050 (С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, соответственно, после охлаждения - мелкокристаллического мартенсита.
Неполной закалке подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Оптимальная температура нагрева для углеродистых и низколегированных сталей – АС1 + (3050 (С). После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому после неполной закалки заэвтектоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной. Перед закалкой для обеспечения зернистой структуры цементита заэвтектоидные стали подвергают нормализации и сфероидизирующему отжигу.
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна быть очень большой – 1400400 (С/с для углеродистых сталей (кривая 6, см. рисунок 2.11). Такая скорость охлаждения достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду или в воду с добавками соли или едкого натра.
Резкое охлаждение деталей приводит к возникновению остаточных напряжений, которые могут вызвать коробление деталей и появление трещин. Остаточные напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сечению детали и понижения скорости охлаждения в интервале температур Мн – Мк.
Поэтому часто для уменьшения остаточных напряжений условия охлаждения усложняют. Применяют закалку в двух средах и ступенчатую закалку (кривые 5 и 4, см. рисунок 2.11).
При закалке в двух средах нагретую деталь погружают на определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем переносят в более мягкую охлаждающую среду, обычно в масло.
При ступенчатой закалке нагретую деталь переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50100 (С выше мартенситной точки Мн закаливаемой стали, и выдерживают небольшое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе.
К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке инструментов небольшого сечения из низко- и среднелегированных сталей. При таком способе закалки имеется также возможность правки инструментов в специальных приспособлениях при охлаждении после изотермической выдержки.
Конструктивная прочность многих изделий, работающих в условиях истирания, зависит от структуры поверхностных слоев. Одним из методов упрочнения в этих случаях является поверхностная закалка. Основным способом поверхностной закалки является индукционный, при котором нагрев деталей осуществляется токами высокой частоты (ТВЧ). Используются также различные виды лучевого нагрева - электроннолучевой, лазерный, световой.
В некоторых случаях после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается получить достаточную прочность и вязкость. Тогда применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью (кривая 3, см. рисунок 2.11). При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50100 (С выше мартенситной точки Мн и выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе.
Обработке холодом подвергают закаленные легированные стали, для которых температура конца мартенситного превращения Мк значительно ниже температуры 2025 (С. Вследствие этого после закалки наряду с мартенситом в структуре содержится большое количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать непостоянство размеров готовых деталей, так как способен распадаться при низких температурах с малой скоростью.
Для стабилизации размеров закаленных деталей и повышения их твердости сразу после закалки проводится охлаждение до температуры Мк, в процессе которого аустенит превращается в мартенсит.
Температура Мк легированных сталей изменяется в широких пределах, поэтому при обработке холодом их охлаждают до температур от –40 до –196 (С (температуры жидкого азота).
Обработке холодом подвергают измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементованные детали из легированных сталей и ряд других изделий.
Важнейшими характеристиками сталей в отношении термической обработки являются закаливаемость и прокаливаемость.
Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной стали, которая охлаждается с максимальной скоростью, и зависит главным образом от содержания углерода в стали.
Прокаливаемостью называют способность стали закаливаться на определенную глубину.
Условились при оценке прокаливаемости закаленными считать слои, в которых содержится не менее 50 % мартенсита и 50 % троостита (полумартенситная зона). Установлено, что легирование стали любыми элементами, кроме кобальта, увеличивает прокаливаемость, так как при этом повышается устойчивость переохлажденного аустенита. Для экспериментального определения прокаливаемости используется способ торцовой закалки (ГОСТ 5657). Цилиндрический образец диаметром 2,5 см и длиной 10 см, нагретый до температуры закалки, охлаждают струей воды только с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по образующей цилиндра и строят график изменения твердости по длине образца. Твердости полумартенситной зоны соответствует HRCэ 45.

2.3.2. Отпуск стали это заключительная операция, определяющая ее конечные свойства после закалки. В зависимости от температуры различают низкотемпературный или низкий отпуск (120250 (С), среднетемпературный или средний отпуск (350500 (С) и высокотемпературный или высокий отпуск (500680 (С). Продолжительность низкого отпуска 0,52 ч в зависимости от сечения деталей. Продолжительность низкого отпуска увеличивается до 1015 ч, если температура низкого отпуска не превышает 100120 (С. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет 12 ч для деталей небольшого сечения и 38 ч для деталей массой от 200 до 1000 кг. Обычно от температуры отпуска детали охлаждают на спокойном воздухе.
При отпуске меняется твердость стали (рисунок 2.12). В конструкционных сталях, количество углерода в которых не превышает 0,7 %, твердость снижается непрерывно, однако снижение невелико до температур 100120 (С. В инструментальных сталях с более высоким содержанием углерода эффект твердения вследствие выделения (-карбида преобладает, поэтому твердость при отпуске до 100120 (С несколько увеличивается.














Рисунок 2.12. Изменение твердости закаленных углеродистых сталей при отпуске

При отпуске до 300 (С возрастают пределы текучести (0,2 и прочности (в, а затем уменьшаются. Характеристики пластичности ( и ( непрерывно возрастают с температурой отпуска. Ударная вязкость с повышением температуры отпуска увеличивается, однако есть два температурных интервала, при которых ударная вязкость конструкционных сталей заметно снижается – 250350 (С и 500600 (С. Понижение вязкости соответственно называют отпускной хрупкостью I и II рода.
Отпускная хрупкость второго рода подавляется быстрым охлаждением с температуры отпуска и дополнительным легированием сталей молибденом или вольфрамом в количестве 0,3 и 1 % соответственно.
Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Средний отпуск применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов.
Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не высокая.

2.3.3. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии
Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии дает возможность значительно упрочнять сплавы путем термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа – дисперсионно твердеющих или стареющих сплавов – в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой прочности. Применяют сплавы на алюминиевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах.
Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соединением (рисунок 2.13).













Рисунок 2.13. Диаграмма состояния сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии и промежуточным соединением AmBn
К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки «а» до промежуточного соединения AmBn, в которых при охлаждении из твердого раствора ( выделяются вторичные кристаллы AmBn. При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве.
Рассмотрим для примера сплав I состава точки «c», который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора ( концентрации точки a и относительно крупных вторичных кристаллов AmBn.
Сопротивление движению дислокаций возрастает по мере уменьшения расстояний между частицами упрочняющей фазы, т. е. сплав I станет прочнее, когда вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких.
Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие друг от друга на 2550 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из двух операций – закалки и старения.
При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов.
Для рассматриваемого сплава такой будет температура несколько выше t/. Быстрым охлаждением с температуры закалки полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав – пересыщенный компонентом В твердый раствор.
Пересыщение твердого раствора относительно сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов.
Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру. Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточной большой, твердый раствор будет распадаться – начнется процесс старения.
Старение, происходящее при повышенных температурах, называется искусственным.
В сплавах на основе легкоплавких металлов старение может происходить при температуре 2025 (С в процессе выдержки после закалки. Такое старение называется естественным.
При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе. Этот компонент расходуется на образование выделений.
Кристаллическая структура выделений, их размер и характер сопряжения с кристаллической решеткой твердого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т. е. температуры и времени выдержки. Обычно чем ниже температура старения, тем больше время старения, но тем большее упрочнение может быть достигнуто.

Контрольные вопросы:

1. При каких условиях получаются сорбитные, трооститные, бейнитные и мартенситные закалочные структуры?
2. Что такое ступенчатая закалка?
3. Что такое закалка с самоотпуском?
4. Что такое закалка с обработкой холодом?
5. На что влияет критическая скорость закалки?
6. Какие виды отпусков бывают?
7. При каких условиях проводится низкотемпературный отпуск для углеродистых сталей?
8. При каких условиях проводится среднетемпературный отпуск для углеродистых сталей?
9. При каких условиях проводится высокотемпературный отпуск для углеродистых сталей?
10. При каких условиях целесообразнее закаливать легированные стали перлитного и мартенситного классов?
11. При каких условиях целесообразнее закаливать улучшаемые легированные стали, содержащих 0,3 0,5 % (мас.) углерода, 1 6 % (мас.) легирующих элементов?
12. Какой вид отпуска проводят после поверхностной закалки?
13. каким видом термической обработки обеспечивается высокая конструкционная прочность сталей 30ХГСН2А, 40ХН2МА?
14. Какому виду отпуска обычно подвергают пружинные стали после закалки?
15. .От чего зависит глубина закаленного слоя при закалке ТВЧ?
16. Какова структура доэвтектоидной стали после полной закалки и среднего отпуска?

2.4. Химико-термическая обработка. Поверхностная закалка.

2.4.1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали
Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.
Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.
Различают три стадии процесса химико-термической обработки:
1) образование активных атомов в насыщающей среде вблизи или непосредственно на поверхности металла;
2) адсорбция образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;
3) диффузия – перемещение адсорбированных атомов в кристаллической решетке обрабатываемого металла, при этом возникает диффузионный поток от поверхности в глубь изделия.
При насыщении углеродом или азотом, составляющими с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.
Слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, называется диффузионным слоем. Он состоит из твердых растворов или химических соединений. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей среды, называют сердцевиной.
Под общей толщиной диффузионного слоя понимают кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины.
Эффективной толщиной диффузионного слоя называют часть общей толщины диффузионного слоя, которая определяется кратчайшим расстоянием от поверхности насыщения до мерного участка, характеризуемого установленным предельным номинальным значением базового параметра (рисунок 2.14, а).
а б в г
Рисунок 2.14. Схема диффузионного слоя по расстоянию d от поверхности насыщения (а), зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения ( (б), концентрации С0 насыщающего элемента на поверхности (в) и температуры насыщения t (г): П.з. – переходная зона; С – сердцевина; ап – значение базового параметра у поверхности; аэ – предельное значение базового параметра, установленное для эффективной толщины; ас – значение базового параметра сердцевины

В качестве базового параметра принимают или концентрацию диффундирующего элемента, или свойства (например, твердость), или структурный признак.
Качественной и количественной характеристикой химико-термической обработки являются толщина диффузионного слоя, распределение концентрации диффундирующего элемента по толщине слоя, фазовый состав и свойства слоя (твердость, пластичность, сопротивление износу, коррозионная стойкость и т. д.).

В подавляющем числе случаем рост эффективной толщины диффузионного слоя подчиняется параболической зависимости (рисунок 2.14, б):

do2 = k(,

где d0 – толщина диффузионного слоя;
k – константа, в которую входит коэффициент диффузии, зависящая от конкретных условий проведения химико-термической обработки;
( - время.

Константа k и толщина слоя (рисунок 2.14, г), экспоненциально зависят от температуры:

k = koexp(Q/RT),

где Q – эффективная энергия активации, Дж/моль;
R - универсальная газовая постоянная.

Толщина диффузионного слоя при прочих равных условиях тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рисунок 2.14, в).
Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния металл-растворитель – диффундирующий элемент.
При насыщении чистого железа различными элементами строение слоя подчиняется общему правилу, согласно которому диффузия между двумя компонентами вызывает образование однофазных слоев.
Соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия Fe – M (M – любой другой элемент), пересекаемым изотермой при температуре насыщения. Диффузионные слои образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояния.

2.4.2. Цементация стали
Цементацией называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки АС3 (910950 (С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.
Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.
Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,10,18 % С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,20,3 %).
На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50100 мкм). Во многих случаях цементации подвергают только часть детали. Тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (2040 мкм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.
В основном применяют два способа цементации – в твердом и газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации в обоих случаях идет через газовую фазу.
Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 2025 % BaCO3 для интенсификации процесса и 3...5 % CaCO3 для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковываются в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи.


При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2C + O2 ( 2CO.

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

BaCO3 + C ( BaO + 2CO.

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а CO2 взаимодействует с углем, образуя новые порции CO. Таким образом, через газовую фазу углерод переносится на насыщаемую поверхность.


2CO ( CO2 + C,
При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ, состоящий почти полностью из метана, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где, разлагаясь, они образуют активную среду. Например, метан разлагается по реакции

CH4 ( 2H2 + C.

В реальных условиях цементации образование на поверхности слоя цементита наблюдается крайне редко. Обычно при температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада – феррита и цементита. При этом концентрация углерода не достигает предела насыщения при данной температуре.
Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рисунок 2.15). В структуре цементованного слоя от поверхности к сердцевине можно различать три зоны: заэвтектоидную, состоящую из вторичного цементита и перлита (Ц+П); эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита (П); и доэвтектоидную зону – из перлита и феррита (П+Ф). Количество феррита в последней зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.











Рисунок 2.15. Изменение концентрации углерода по толщине

За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон до содержания углерода 0,4 %, что соответствует твердости HRCэ = 50. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,51,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность. Средняя скорость цементации составляет десятые доли миллиметра в час (0,10,6 мм/ч), поэтому длительность процесса цементации – 614 ч.
Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре цементации. По этому для достижения заданного комплекса механических свойств необходима дополнительная термическая обработка.
Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение (зубчатые колеса), требуется получить мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.
При первой закалке деталь нагревают до температуры на 3050 (С выше температуры АС3 исходной цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали устанавливается аустенитное состояние.
Нагрев до температур лишь немного превышающих АС3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. Чтобы предотвратить выделение цементита в диффузионном слое, проводят закалку.
При второй закалке деталь нагревают до температуры на 3050 (С выше температуры АС1.
В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается с образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость.
Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в цементованном слое.
Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160200 (С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали.
После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов.
Структура сердцевины зависит от легированности стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то в сердцевине получится сорбитная структура, для легированных сталей в зависимости от количества легирующих элементов получается структура бейнита или низкоуглеродистого мартенсита.
Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки с температуры 820850 (С и низкого отпуска.
Цементованные детали подвергают механической обработке шлифованием.

2.4.3. Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее до 500600 (С в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре и т. д.
Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до 450550 (С, тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200225 (С.
До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.
Азотирование проводят в муфелях или контейнерах, через которые пропускают диссоциирующий аммиак.
На стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота
которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.

2NH3 ( 2N + 3H2,

Пользуясь диаграммой состояния Fe-N, можно описать структуру азотированного слоя низкоуглеродистых сталей (рисунок 2.16).
По мере насыщения железа азотом сначала образуется (-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой (/-фазы с ГЦК кристаллической решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных ячеек.
Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя (-фазы с ГПУ кристаллической решеткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.
















Рисунок 2.16. Кривая распределения азота по толщине диффузионного слоя при температуре насыщения 590 (С в сопоставлении с диаграммой состояния Fe-N

При медленном охлаждении после азотирования вследствие переменной растворимости азота в (- и (-фазах происходит выделение избыточной (/-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей: (( + (/) - (/ - (( + (/) - (.
При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.
Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой (-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe-N (- и (/-фазы имеют сравнительно невысокую твердость, соответственно HV = 4500 и HV = 5500 МПа. Более высокая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей – нитраллоев, которые содержат более активные нитридообразующие элементы, такие как Cr, Mo, Al, V, Ti.
Например, после азотирования легированной стали 38Х2МЮА, содержащей 0,350,42 % С; 1,351,65 % Cr; 0,71,10 % Al и 0,150,25 % Mo, твердость поверхности повышается до HV = 12000 МПа.
Процесс азотирования – весьма длительная операция. При обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500520 (С за 55 часов выдержки. По этой причине азотирование используют реже, чем цементацию.

2.4.4. Нитроцементация и цианирование
Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840860 (С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 410 ч. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных деталей.
Основное преимущество нитроцементации состоит в том, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода. Толщина нитроцементованного слоя меньше, чем цементованного и составляет обычно 0,20,8 мм, что уменьшает коробление деталей по сравнению с цементацией. Повышается сопротивление износу и коррозии.
После нитроцементации следует закалка непосредственно из печи, реже после повторного нагрева, применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160180 (С.
При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25-30 % остаточного аустенита. Твердость слоя HRCэ = 5860, HV = 57006900 МПа. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу.
Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820950 (С в расплавленных солях, содержащих группу CN.
При среднетемпературном цианировании детали небольшого размера нагревают до 820-860 (С в расплавленных солях, содержащих NaCN (20-25 %), NaCl (2550 %) и Na2CO3 (2550 %). Продолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя (0,30,5 мм) и составляет 3090 мин.
Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха

2NaCN + 2O2 ( Na2CO3 + CO + 2N;
2CO ( CO2 + C.

Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианированный слой, полученный при 820860 (С, содержит 0,7 % С и 0,81,2 %N.
Закалку выполняют непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180200 (С).
Для получения слоя большей толщины (0,52,0 мм) применяют высокотемпературное цианирование при 930950 (С в ванне, содержащей 8 % NaCN, 82 % BaCl2 и 10% NaCl.
Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей.
В связи с этим разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей – цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Капбонитрация», «Тенифер» (Германия) и «Мелонайт» (США).

2.4.5. Диффузионное насыщение стали металлами и неметаллами
Кроме цементации, азотирования, нитроцементации и цианирования поверхность стали насыщают также бором, кремнием, алюминием, хромом, цинком и другими элементами.
Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в соответствующей среде. Борирование выполняют при электролизе расплавленной буры Na2B4O7, при этом деталь является катодом.
Температура насыщения 930950 (С при выдержке 26 ч. Известны и другие способы борирования. Диффузионный слой состоит из боридов FeB (на поверхности) и Fe2B.
Толщина слоя 0,10,2 мм. Борированный слой обладает высокой твердостью HV = 1800020000 МПа, износостойкостью (главным образом абразивной), коррозионной стойкостью, окалиностойкостью (до 800 (С) и теплостойкостью. Борирование применяют для повышения износостойкости вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин для литья под давлением.
Насыщение поверхности стали кремнием называют силицированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа. Силицированный слой является твердым раствором кремния в (-железе. Толщина слоя – 0,31,0 мм.
Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности.
Различают следующие методы диффузионного насыщения металлами:
1) погружение в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет низкую температуру плавления (Al, Zn);
2) насыщение из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза);
3) насыщение из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента (Zn, Cr);
4) насыщение из газовой фазы, состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента (AlCl3).
Наиболее часто применяется алитирование, термохромирование и диффузионное цинкование.
Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием. Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в (-железе. Концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ( 30 %. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850900 (С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al2O3, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.
Термохромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) – до температуры 800 (С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота.
Термохромирование сталей, содержащих свыше 0,30,4 % С, повышает также твердость и износостойкость.
Диффузионный слой, получаемый при термохромировании технического железа, состоит из твердого раствора хрома в (-железе. Слой, полученный при термохромировании углеродистой стали, содержит карбиды хрома (Cr,Fe)7C3 или (Cr,Fe)23C6, обеспечивающие высокую твердость (HV = 1200013000 МПа).
Термохромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.
Диффузионное цинкование – процесс, заключающийся в насыщении поверхности стали цинком при температурах 300500 и 7001000 (С в расплавленном цинке, порошке или в парах цинка. Цинкование применяют для повышения коррозионной стойкости стали в атмосфере, бензине, маслах и горячих газах (300500 (С), содержащих сероводород. Цинкованный слой нестоек в кислотах и щелочах. В зависимости от режима насыщения в диффузионном слое на поверхности может образоваться (-фаза (твердый раствор железа в цинке), далее слой интерметаллидных фаз FeZn13, FeZn7, а ближе к сердцевине – твердый раствор цинка в железе. Для повышения коррозионной стойкости различных полуфабрикатов и деталей (листы, трубы, проволока, посуда, аппаратура для получения спиртов, холодильников, газовых компрессоров и т. д.) применяют цинкование путем погружения изделий в расплав цинка.

Контрольные вопросы:
1. Какова структура цементованного слоя после термической обработки?
2. Что такое поверхностная закалка?
3. Как называется среда, в которой проводят цементацию?
4. Как называется среда, в которой проводят борирование?
5. Что такое азотирование?
6. Что такое борирование?
7. Что такое нитроцементация?
8. Что такое цианирование?
9. Что такое алитирование?
10. Что такое силицирование?
11. Что такое цинкование?
12. Что такое хромирование?
13. Что такое никелирование?
14. Каким основным видом термической обработки подвергаются бронзы и латуни?
15. Какие стали подвергаются цементации?
16. Какие стали подвергаются поверхностной закалке?




Тема 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

3.1. Конструкционные стали.
Сталь является сложным по составу железо – углеродистым сплавом. Кроме железа и углерода – основных компонентов, а также возможных легирующих элементов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на ее свойства.
Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8 %, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.
После отжига или в горячекатаном состоянии без термической обработки углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита, который имеет высокую твердость и хрупкость, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, повышается прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали (рисунок 3.1).
Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рисунок 3.2). Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20 (С.
При 0,4 % С порог хладноломкости равен 0 (С.
При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20 (С; сталь становится менее надежной в работе.
Влияние углерода еще более значительно после закалки стали. Например, (в достигает максимума при 0,4 % С.
При большей концентрации углерода (в становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали.

















Рисунок 3. 1. Влияние углерода на механические свойства горячекатаных сталей














Рисунок 3. 2. Влияние углерода на хладноломкость стали

Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, затрудняется свариваемость.
Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, сера, фосфор и такие газы, как кислород, азот, водород.
Марганец - полезная примесь вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,30,8 %. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Кремний – полезная примесь, вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4 %, оказывая упрочняющее действие.
Сера – вредная примесь, вызывающая красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику с низкой температурой плавления (988 (С) и располагаются по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается.
Введение марганца устраняет красноломкость за счет связывания серы в сульфиды MnS, которые при этом снижают пластичность и вязкость стали.
Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.
Фосфор – вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость – снижение вязкости по мере понижения температуры. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 (С.
Кислород, азот и водород – вредные примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.
По концентрации углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % C), среднеуглеродистые (0,30,7) %С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С).
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055 % S и 0,045 % P, качественные – не более 0,04 %S и 0,035 %P, высококачественные – не более 0,025 %S и 0,025 %P, особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % P.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицирую на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде пузырей CO. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ( 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380) выпускают в виде проката и поковок. В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп А, Б, В. Их маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой от 0 до 6, показывающей номер марки.
Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки не указывается.
Степень раскисления обозначается добавлением индексов: «сп» - спокойная, «пс» - полуспокойная, «кп» - кипящая. Например, Ст3сп, БСт3пс, ВСт3кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1Ст6, кипящими – Ст1Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.
Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами, химический состав не указывают. Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, механические свойства не гарантируются. Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
Углеродистые стали обыкновенного качества предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов.
Соответствие некоторых отечественных марок сталей обыкновенного качества с зарубежными аналогами представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Аналоги зарубежных сталей обыкновенного качества
Россия
(ГОСТ)
Германия
(DIN)
США
(ASTM)
Япония
(JIS)
Китай
(GB)

Ст2сп
RSt34-2-
К02502
-
Q215A

Cт3Гпс, Ст5Гпс
St52-3I
S235J2G3
A572/42
SM41B
-

Cт3Гпс
-
A131/B,
A573/58
SM41B
-

Ст2кп, Ст2пс
Rst34-2
-
SS34
Q215

Ст3сп
RSt37-2
A283/C
-
-

Ст3кп, Ст3пс
Ust37-2
A283/C
-
-

Ст4сп
Ust42-2
St44-2
А283/D,
A131/A
SS41,
SM41A
-

Ст5сп
St50-2
-
SS50

Q275

Ст6сп
St60-2
-
-
-


Углеродистые качественные стали поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.
Эти стали маркируются двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20, , 85, обозначающими среднее содержание углерода по массе в сотых долях процента (ГОСТ 1050).
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие – с индексом.
Качественные стали для станков – автоматов маркируют с указание буквы А впереди: А11, А12, А20.
Качественные стали для котлов маркируют с указание буквы «К» позади: 12К, 15Ки т. д.
Низкоуглеродистые стали 05, 08, 10 применяют для холодной штамповки различных изделий.
Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.
Стали 15, 20, 25 – цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера, от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина (кулачки, шестерни и т. д.), а также горячекатаные и после нормализации для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры, трубы, змеевики и т. д.).
Среднеуглеродистые стали 3055 применяют после улучшения для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы, оси и т. п.).
Стали 40 50 после нормализации и поверхностной закалки применяют для изготовления крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, например, валы, ходовые винты, кулачки распределительных валиков и т. д.
Стали с высоким содержанием углерода (60 85), а также с увеличенным содержанием марганца (60Г, 65Г и 70Г) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных после закалки и среднего отпуска, а также для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей после нормализации.
Соответствие некоторых отечественных марок конструкционных сталей с зарубежными аналогами представлены в таблице 3.2.








Таблица 3.2
Аналоги зарубежных углеродистых сталей
Страны СНГ
(ГОСТ)
Евронормы
США
(стандарты)
Япония
(JIS)
Китай
(GB)

10
С10Е (1.1121)*
1010
S10C
10

15
С15Е (1.1141)*
1015
S15C
15

20
С22Е (1.1151)*
1020
S20C
20

25
С25Е (1.1158)*
1025
S25C
25

30
С30Е (1.1178)*
1030
S28C
30

35
С35Е (1.1181)*
1035
S35C
ML35

40
С40Е (1.1186)*
1040
S40C
40

45
С45Е (1.1191)*
1045
S48C
45H

50
С50Е (1.1206)*
1050
S50C
55

Примечание: * - цифровое обозначение.

Контрольные вопросы:
1. Каким параметром характеризуются доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали?
2. Какие марки сталей применяются для холодной штамповки?
3. Как классифицируются стали по степени раскисления?
4. Какие марки сталей относятся к улучшаемым после закалки?
5. Что означает буква «Ш» в конце марки стали?
6. Что обозначает буква перед маркой стали Ст3кп?
7. С какой целью проводят раскисление сталей?
8. Как классифицируются стали по качеству?
9. Какие существуют аналоги зарубежных сталей отечественным марка?
3.2. Чугуны.
При весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.) железо – углеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой железо – графит.
Диаграмма состояния железо – графит (показана на рис. 3.3 пунктирными линиями) отличается от диаграммы состояния железо – цементит тем, что эвтектика образуется при температуре 1153 (С и содержит 4,26 % С в виде графита.
Эвтектоидное превращение протекает при температуре 738 (С, причем эвтектоидная точка соответствует 0,7 % С. Эвтектоид состоит из феррита и графита. В интервале температур 1153 738 (С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом состав аустенита изменяется по линии E/S/. Состав жидкой фазы при кристаллизации первичного графита меняется по линии C/D/.
Кристаллы первичного графита и графита эвтектики имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяется на лепестках первичного и эвтектического графита.
В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или искривленных пластинок, которые представляют собой различные сечения графитных лепестков (рисунок 3.3, а).









Рисунок 3.3. Схема микроструктуры чугунов: а – серый чугун;
б – высокопрочный чугун; в – ковкий чугун

Графит придает сплавам железо – углерод серый цвет, поэтому чугун, образованный согласно диаграмме состояния железо – графит называют серым.
Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (НВ = 45005500 МПа), хрупки и для изготовления деталей машин не применяются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки, шары для мельниц и другие детали, работающие на износ.
В промышленности широко применяют литейные серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его (половинчатый чугун) находится в виде графита.
Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, т. к. нарушают сплошность металлической основы сплава.
По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные и легированные. Обычные серые чугуны содержат основные элементы Fe-C-Si и постоянные примеси Mn, P и S. Содержание углерода 2,23,7 %, кремния – 13 %, марганца – 0,21,1 %, фосфора – 0,020,3 %, серы – 0,020,15 %.
В зависимости от состава и скорости охлаждения отливки структура металлической основы серого чугуна может быть различной. Различают три вида серых чугунов:
1) Перлитный серный чугун, имеющий в структуре перлит и графит, количество связанного углерода составляет ( 0,8 %.
2) Ферритно-перлитный серый чугун, имеющий ферритно-перлитную основу, количество связанного углерода менее 0,8 %.
3) Ферритный серый чугун, имеющий ферритную основу, весь углерод находится в виде графита.
Прочность, твердость и износостойкость растут с увеличением количества перлита.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении в кгс/мм2. Например, чугун СЧ 25 имеет ферритно-перлитную основу и (в = 25 кгс/мм2 ( 250 МПа.
Ферритные серые чугуны (СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18) предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников, насосов, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и пр.
Ферритно-перлитные серые чугуны (СЧ 20, СЧ21, СЧ 25) применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие отливки.
Перлитные серые модифицированные чугуны (СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45) используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и др.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие, содержащие дополнительно Cr и Al, и жаростойкие, содержащие дополнительно Cr, Ni и Mo.
Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500600 (С в течение 210 ч с последующим охлаждением с печью.
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (рисунок 3.3, б).
Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,020,08 %. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магнием сопровождается сильным пироэффектом, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).
Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,03,6 % С; 1,12,9 %Si; 0,30,7 % Mn; до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным (до 209 % перлита) или перлитным (до 20 % феррита).
Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности в кгс/мм2 и относительному удлинению в процентах (%), например, ВЧ 50-7, ВЧ 120-2.
Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, в турбостроении, дизеле-, тракторо- и автомобилестроении – коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму (рисунок 3.3, в). Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. Такой графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкий чугун по сравнению с серым обладает высокой прочностью и пластичностью.
Отливки из белого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, изготавливают тонкостенными (не более 50 мм), иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их состав: 2,4,9 % С; 1,01,6 % Si; 0,21,0 % Mn; до 0,2 % S и до 0,18 % P.
По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Отжиг на ферритные чугуны проводят в защитной среде по режиму 1 (рисунок 3.4), состоящего из медленного (2025 ч) нагрева до 9501000 (С (чуть ниже эвтектической температуры), выдержке при этой температуре 1015 ч для графитизации эвтектического и избыточного вторичного цементита, медленного охлаждения до 720740 (С (ниже температуры эвтектоидного превращения) для распада выделяющегося вторичного цементита и выдержке при этой температуре 2530 ч для графитизации цементита перлита.
Перлитный ковкий чугун получают отжигом в окислительной среде по режиму 2 (рисунок 3.4). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой отливки непрерывно охлаждают до 20 (С.









Рисунок 3. 4. Схема отжига белого чугуна на ковкий

Принцип маркировки ковких чугунов такой же, как и для высокопрочных, например, КЧ 37 – 12.
Из ковких чугунов изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок; хорошие литейные свойства исходного белого чугуна – отливки сложной формы.
Сравнительно новым конструкционным материалом является чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ), обладающий высоким временным сопротивлением (300400 МПа), относительным удлинением 0,93,0 % и сравнительно небольшой твердостью (HB 130290). Этот чугун обладает более высокими служебными свойствами по сравнению с серым чугуном. По своим физико-механическим свойствам чугун с вермикулярным графитом близок к высокопрочному чугуну с ферритной металлической основой. Чугун с вермикулярным графитом обозначают ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45. Буквы в обозначении показывают принадлежность к чугунам с вермикулярным графитом, цифры – временное сопротивление.
В чугуне с вермикулярным графитом графит имеет червеобразную извилистую форму с равномерным его расположением и стабильными размерами графитовых включений по сравнению с серым чугуном. В металлической основе содержится в основном феррит.
Для получения чугуна с вермикулярным графитом с оптимальными механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами необходим следующий химический состав: 3,33,8 % C; 2,42,6 %Si; 0,60,8 % Mn; 0,015 % S; 0,020,06 % P; и 0,100,15 % РЗМ (редкоземельные металлы).
Чугун для получения вермикулярного графита плавят в электропечах и реже в вагранках. В качестве шихтовых материалов используют передельный чугун, возврат собственного производства, ферросилиций и лигатуры, содержащие РЗМ.
Из чугуна с вермикулярным графитом изготавливают опорные детали головок цилиндров, тормозные рычаги, бандажные кольца шестерен грузовиков, несущие кронштейны, соединительные фланцы, тормозные колодки и др.
Некоторые аналоги зарубежных чугунов представлены в таблице 3.3.
Таблица 3.3
Аналоги зарубежных чугунов
Страны СНГ
(ГОСТ)
Германия
(DIN)
США
(стандарты)
Япония
(JIS)

СЧ15
GG-15
25В
FC150

КЧ37–12
GTS-34
32510
-

ВЧ 50-7
GGG-50
70-50-05
FCD500


Контрольные вопросы:
1. Как получают белый чугун?
2. Как получают ковкий, серый, высокопрочный чугуны?
3. Какие марки серых чугунов Вы знаете и где они применяются?
4. Какие марки ковких чугунов Вы знаете и где они применяются?
5. Какие марки высокопрочных чугунов Вы знаете и где они применяются?
6. Какие марки антифрикционных чугунов Вы знаете и где они применяются?
7. Какие марки жаростойких чугунов Вы знаете и где они применяются?
8. Как отличить доэвтектические, эвтектические и заэвтектические чугуны?

3.3. Сплавы на основе меди.
Медь – цветной металл розового цвета, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.
В зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu), М4 (99,0 % Cu).
Механические свойства чистой отожженной меди: (в = 220240 МПа, ( = 45-50 %, НВ = 400500 МПа.
Чистую медь применяют для электротехнических целей в виде проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой прочности чистую медь не используют в качестве конструкционного материала, а применяют ее сплавы.
Различают три группы медных сплавов - латуни, бронзы и сплавы меди с никелем.
Латунями называются двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов кроме цинка латуни называют специальными по наименованию элементов, например, железо-марганцевая латунь и т. д.
По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью резанием, литьем, давлением.
Латуни содержат до 45 % Zn. Содержание других легирующих элементов не превышает 9 %.
Маркировка деформируемых (обрабатываемых давлением) латуней состоит из буквы Л (латунь), буквенных обозначений легирующих элементов и цифр. Например, ЛМцС58-3-2, где 58 % меди, 3 % - марганца и 2 %– свинца.


Деформируемые латуни (ГОСТ 15527) выпускают в виде простых латуней, например, Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например, ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др.
Литейные латуни обозначают двумя первыми буквами ЛЦ, после которых следует содержание цинка в процентах, например, ЛЦ16К4. В ряде случаев литейные латуни могут маркироваться как и деформируемые латуни, но в конце ставится буква Л, например, ЛС59-1Л.
Латуни широко применяются в общем и химическом машиностроении.

Сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой обрабатываемостью резанием.
По сравнению с латунями бронзы имеют повышенную механическую прочность, например, бериллиевая бронза имеет (в = 9001000 МПа, ( = 24 %, НВ = 700800 МПа.
Бронзы маркируют буквами Бр, далее указывают содержание легирующих элементов, например, БрОЦ4-3 – содержит 4% олова и 3 % цинка.
Различают деформируемые и литейные бронзы. Для литейных бронз в конце маркировки указывается буква Л.
Марганец в бронзах способствует повышению коррозионной стойкости, никель – пластичности, цинк – литейных свойств, свинец улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.
Алюминиевые бронзы упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения, до НВ = 4000 МПа.
Некоторые аналоги зарубежных медных сплавов представлены в таблице 3.4.




Таблица 3.4
Аналоги зарубежных медных сплавов
Страны СНГ
(ГОСТ)
Германия
(DIN)
США
(стандарты)

Л96
CuZn5
(2.0220)
C21000

Л68
CuZn33
(2.0280)
C26000

ЛС59-1
CuZn38Pb5
(2.0371)
C35000
C37100

ЛА77-2
CuZn20Al2

-

ЛМц58-2
CuZn40Mn1
-

БрАЖМц10-3-1,5
CuAl10Fe3Mn2
(2.0936)
C95210

БрБ2
CuBe2
(2.1248)
C82500


Медно-никелевые сплавы маркируются подобно бронзам, например, МНЖМц30-1-1. По назначению медно-никелевые сплавы подразделяют на конструкционные и электротехнические.
Некоторые из медно-никелевых сплавов имеют собственное название.
Куниали содержат 613 % Ni и 1,5-3 % Al и подвергаются термической обработке (закалке и старению). Куниали применяются для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и электротехнических изделий.
Нейзильбер содержит 15 % Ni и 20 % Zn, имеет белый цвет, близкий к цвету серебра, и высокую коррозионную стойкость. Поэтому его применяют в приборостроении и производстве часов.
Мельхиоры представляют собой сплавы меди с никелем, железом и марганцем, например МНЖМц30-1-1. Мельхиоры обладают высокой коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий.
К медно-никелевым сплавам относятся также такие электротехнические сплавы, как копель (43 % Ni и 0,5 % Mn), манганин (3 % Ni и 12 % Mn) и константан (40 % Ni и 1,5 % Mn).

Контрольные вопросы:
1. Что служит сырьем для производства меди?
2. Какие медные сплавы подвергаются термической обработке?
3. Какие из латуней имеют наибольшую прочность?
4. Какие марки специальных литейных и обыкновенных латуней латуней обрабатываются давлением?
5. Какие марки безоловянистых свинцовых бронз Вы знаете?
6. Что такое латунь и бронза?
7. Какие латуни находят практическое применение?
8. Как расшифровать марки ЛАЖ38-1-1, БрАЖ60-1-1, Л80, БрС30?

3.4. Сплавы на основе алюминия.
Все металлы кроме железа и сплавов на его основе называются цветными металлами.
При маркировке цветных сплавов приняты следующие обозначения: А – алюминий, Б – бериллий, Бр – бронза, В – вольфрам, Г – германий, Гл – галлий, Ж – железо, Зл – золото, И – иридий, Л – латунь, М – медь, Мг – магний, Мц – марганец, Мш – мышьяк, Н – никель, Нд – неодим, О – олово, Ос – осмий, Пд – палладий, Пл – платина, Р – ртуть, Ре – рений, Рд – родий, Ру – рутений, С – свинец, Ср – серебро, Сл – селен, Су – сурьма, Ти – титан, Тл – таллий, Тт – тантал, Ф – фосфор, Х – хром, Ц – цинк.

Алюминий стоит на четвертом месте (после кислорода, водорода и кремния) среди химических элементов и на первом месте среди металлов по распространенности в земной коре.
Первичный алюминий делят на следующие группы (ГОСТ 11069):
1) алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Al);
2) алюминий высокой чистоты А995, А99, А97, А95;
3) алюминий технической чистоты А85, А8 и др. (8 марок с общим содержанием примесей от 0,15 до 1 %); технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и пр.), маркируют АД0 и АД1.
Алюминий – легкий металл (( = 2700 кг/м3) серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью, tпл = 660667 (С. В отожженном состоянии (в = 80100 МПа, НВ = 200400 МПа, ( = 3540 %. Легко обрабатывается давлением, сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере, воде, органических кислотах и концентрированной HNO3 благодаря плотной окисной пленке Al2O3.
Имеется две группы алюминиевых сплавов – деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных изделий, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой. Эти сплавы содержат 23 и более легирующих компонентов в количестве 0,24 % каждого.
Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.
Термически не упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы содержат в качестве легирующих элементов марганец и магний. Например, АМцМ, АМг2М, АМг2Н, АМг5П, где цифры, стоящие после обозначения химического элемента, обозначают его содержание в процентах, буквы в конце марки – состояние материала (М – мягкий, П – полунагартованный, Н – нагартованный). Предел прочности этих сплавов не превышает (в = 280 МПа.
Термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы приобретают высокие механические свойства в результате термической обработки, состоящей в закалке с 500 (С и естественного старения 57 суток при комнатной температуре или искусственного старения при 150180 (С в течение 24 ч.
Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком. Маркировка этих сплавов состоит из буквы и условного номера сплава.
Например, дралюмины – Д1А, Д16А, Д16АТ и высокопрочный сплав В95А с (в = 500 МПа и ( = 6 %. Дюралюмины не обладают достаточной коррозионной стойкостью, поэтому их плакируют чистым алюминием.
Литейные алюминиевые сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые, но в значительно большем количестве (до 913 % по отдельным компонентам). Эти сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок.
Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов. Маркировка этих сплавов состоит из букв «АЛ» и условного номера сплава. Например, силумины – АЛ2, АЛ4, АЛ9, содержащие кремний и обладающие лучшими литейными свойствами, сплавы алюминия с магнием – АЛ8, АЛ13, АЛ22, обладающие высокими удельной прочностью и коррозионной стойкостью.
Предел прочности для этих сплавов может достигать (в = 280 МПа. Литейные сплавы подвергаются термообработке, состоящей в закалке с 520540 (С (силумины при этой температуре выдерживают 510 ч) и искусственного старения при 150180 (С в течение 1020 ч.
Некоторые аналоги зарубежных алюминиевых сплавов представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5
Аналоги зарубежных алюминиевых сплавов
Страны СНГ
(ГОСТ)
Евростандарт
(Германия)
США
(стандарты)
Япония
(JIS)

АК8(АЛ34)
ENAB-42100
B179, B26, B85
H5202,H2211,
H2118

АК7(АЛ9)
ENAB-42000
357.0, 356.2
АС4С.1

АК12(АЛ2)
ENAB-44100
А413.1
АС3С.1

АМг6
(G-AlMg5)
-
-

Д16
AlCuMg2
(3.1355)
-
2024

В95пч
-
75-ST
-





Контрольные вопросы:

1. Что является основным сырьем для производства алюминия?
2. При каких условиях проводится закалка алюминиевых сплавов?
3. К какому классу относятся сплавы АМг?
4. Какие марки литейных сплавов алюминия Вы знаете?
5. Какие марки спеченных алюминиевых сплавов Вы знаете?
6. Какие марки жаропрочных алюминиевых сплавов Вы знаете?
7. Какие марки высокопрочных алюминиевых сплавов Вы знаете?
8. Как расшифровать марки алюминиевых сплавов Д16, АВ, АВТ1, В95, АЛ9?
9. Какие существуют зарубежные аналоги отечественной стали обыкновенного качества?

Тема 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ.

4.1. Конструкционные углеродистые и легированные стали
В современном машиностроении и приборостроении широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями.
В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, B и некоторые другие.
В результате легирования изменяются физические, механические и технологические свойства стали. Изменение свойств стали при ее легировании определяется влиянием легирующих элементов, как на свойства фаз, так и на условия протекания фазовых превращений.
По влиянию на положение точек полиморфного превращения железа, легирующие элементы можно разделить на две группы:
1) элементы, понижающие температуру А3 и повышающие А4, т. е. расширяющие область существования аустенита ((-фазы) и сужающие область феррита ((-фазы). К числу таких элементов относятся Ni и Mn. На рисунке 4.1, а приведена диаграмма, характерная для сплавов железа с легирующими элементами этой группы.
Из диаграммы видно, что если концентрация легирующего элемента превышает концентрацию, соответствующую точке b, то во всей области температур сплавы будут иметь структуру аустенита. Такие сплавы называют аустенитными. Если концентрация легирующего элемента находится между точками а и b, то в сплавах происходит частичное превращение аустенита в феррит.
Такие сплавы называют полуаустенитными или ферритно-аустенитными. К числу элементов, расширяющих область существования аустенита, относятся также Сu, C и N. Но в этом случае диаграммы имеют эвтектоидную точку, ниже которой аустенит не существует.














а б
Рисунок 4. 1. Схемы диаграмм состояний железа с легирующими элементами: а – открытая область (-область; б – закрытая (-область.

2) легирующие элементы, которые повышают точку А3 и снижают А4. Это приводит к замыканию области существования аустенита ((-фазы) как это показано на рисунке 4.1, б. При содержании легирующего элемента выше концентрации, отмеченной точкой а на оси абсцисс, сплавы во всей температурной области правее а имеют кристаллическую решетку феррита ((-фазы).
Такие сплавы называются ферритными. При меньшей концентрации легирующего элемента сплавы называются полуферритными или аустенитно-ферритными.
К числу легирующих элементов второй группы относятся Cr, W, Mo, V, Si, Al. К этой же группе относятся B, Zr,и Nb, которые способствуют сужению (-области даже при небольших содержаниях этих элементов. Но вследствие малой растворимости в железе ранее, чем полностью замыкается (-область, образуются двухфазные сплавы.
При введении в сталь одновременно нескольких легирующих элементов их влияние на существование (- и (-областей не всегда суммируется. Например, хром при введении его одновременно с никелем не сужает, а расширяет (-область.
Легирующие элементы обычно повышают предел прочности феррита, не изменяя в заметной степени пластических характеристик. Исключение составляют лишь марганец и кремний, которые при их содержании более 2,5 %, снижают пластичность феррита. Но именно они сильнее всего упрочняют феррит. Введение легирующих элементов, за исключением никеля и хрома, значительно снижает ударную вязкость стали и повышает предел хладноломкости. Легирование никелем до 4 % и хромом до 1,5 % приводит к повышению ударной вязкости и снижению предела хладноломкости.
Легирующие элементы повышают прочность аустенита при нормальной и повышенной температурах. Упрочнение аустенитных сталей легко достигается также в результате пластической деформации, т. к. они имеют ГЦК кристаллическую решетку.
Легирующие элементы, как и железо, способны образовывать карбиды. По типу взаимодействия с углеродом, растворенные в железе легирующие элементы делятся на графитизирующие – Si, Al, Cu; нейтральные – Co, Ni, которые в стали не образуют карбидов, но и не вызывают графитизации; карбидообразующие – Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti (элементы расположены в порядке устойчивости их карбидов по отношению к карбиду железа).
Если в стали имеется несколько легирующих элементов, то сначала образуется наиболее устойчивый карбид. Если таких карбидообразующих элементов, как Mn, Cr, Mo, W в стали мало, то они собственных карбидов не образуют, а растворяются в цементите: (Fe,Mn)3C или (Fe,Cr)3C и т. д. Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа, хром – только 25 % (ат.), молибден лишь около 3 % (ат.), а вольфрам всего 0,81,0 % (ат.). Если содержание Cr, Mo и W в стали выше этих концентраций, то при наличии в стали углерода эти элементы образуют специальные карбиды типа (Cr,Fe)7C3, (Cr,Fe)23C6, Fe3Mo3C, Fe2Mo2C, Mo6C и т. д. Такие элементы, как Ti, V, Nb и Zr, в цементите практически не растворяются, а образуют свои специальные карбиды.
По структуре, формирующейся в условиях равновесия, легированные стали делят на 6 классов: перлитный, аустенитный, ферритный, полуферритный (аустенитно-ферритный), полуаустенитный (ферритно-аустенитный) и ледебуритный.
В перлитный класс объединяются стали, содержащие перлит. Это как доэвтектоидные, так эвтектоидные и заэвтектоидные стали.
В отличие от обычных, среди легированных сталей выделяют ледебуритные стали, которые в литом состоянии содержат эвтектику, одной из составляющих которой являются карбиды с объемной долей до 3035 %. По структуре ледебурита стали следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но, так как эти сплавы содержат меньше 2 % С и могут коваться, то их относят к сталям.
Легированные стали ферритного класса образуются при относительно низком содержании углерода и больших содержаниях легирующих элементов, таких как Cr, W, Mo, V, Si. При всех температурах структура таких сталей состоит из легированного феррита, иногда с небольшим содержанием карбидов.
Аустенитные стали получают при при высоком содержании таких легирующих элементов, как Ni и Mn. Однако часто структура сталей, содержащих эти элементы, состоит из смеси феррита и аустенита. Стали, имеющие такую структуру, относят к ферритно-аустенитным, или к аустенитно-ферритным, в зависимости от того, какая фаза преобладает.
По назначению легированные стали делятся на конструкционные, подшипниковые, инструментальные, коррозионностойкие (нержавеющие), и специального назначения.
Легированные стали всегда выпускают качественными и высококачественными. Поэтому в маркировке имеются, как правило, двухзначные цифры, стоящие первыми и обозначающие содержание углерода в сотых долях процента. Для высокоуглеродистых марок инструментальных сталей используют однозначные цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента (более 0,7 % С). Легирующие элементы обозначают буквами: А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец: Д – медь; Е – селен; К – кобальт; Л – бериллий; М – молибден; Н – никель; П – празеодим; Р – бор; С – кремний; Т – титан; У – углерод; Ф – ванадий; Х – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные элементы; Ш – магний; Ю – алюминий.
Цифры, стоящие после букв, обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых процентах.
Если же цифра в маркировке отсутствует, то это означает, что содержание элемента может достигать 11,5 %.
Для элементов, сильно действующих на свойства (N, B, V), их присутствие в стали указывают в маркировке, даже если их содержание составляет сотые или тысячные доли процента.
Марки высококачественных сталей имеют в конце букву А, а особовысококачественные – две буквы А. В инструментальных легированных сталях и сплавах с особыми физическими свойствами, которые всегда высококачественные или особовысококачественные, буква А не указывается.
Буква Ш в конце марки означает, что сталь получена методом электрошлакового переплава и относится к категории особовысококачественных. Примеры маркировки: 12Х2МФА, 15Х2НМФАА, 30ХГС-Ш, 12Х2МВ8ФБ, 12Х25Н16Г7АР, 15Х6СЮ.
Некоторые конструкционные и инструментальные стали имеют в начале марки букву, характеризующую область применения: А – автоматные стали; Ш – шарикоподшипниковые стали; Р – быстрорежущие стали; Е – стали для постоянных магнитов. У сталей, применяемых для литья, в конце марки указывается буква Л.
Соответствие некоторых отечественных марок легированных сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.1.


Таблица 4.1
Аналоги зарубежных легированных сталей
Страны СНГ
(ГОСТ)
Германия (DIN)
Евронормы
США
(стандарты)

18ХГ
1.7131*
16MnCr5
5120

38X2MЮА
1.8509
41CrAlMo7
A290C1M

40XH
1.5711
40NiCr6
3140

40Г
1.0503
С45
1045

12ХН3А
1.5732
14NiCr10
655M13

Примечание: * - цифровое обозначение.

4.1.1. Особенности термообработки легированных сталей
Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых сталей имеет ряд технологических особенностей. Эти особенности заключаются в различии температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.
Критические температуры у одних легированных сталей ниже (при легировании никелем и марганцем), у других – выше, чем у углеродистой стали.
Для легированных сталей требуется несколько большее время выдержки при температурах отжига, температуре нагрева под закалку и отпуска, так как большинство легирующих элементов затрудняет процессы распада карбидов и мартенсита. Кроме того, легированные стали имеют меньшую теплопроводность.
Скорость охлаждения при термической обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита. Поскольку при легировании увеличивается устойчивость аустенита, многие легированные стали закаливают на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они содержат большое количество углерода, способность к самозакаливанию выражена очень сильно, у низколегированных и малоуглеродистых – слабее. Например, такие стали, как 30Х13 и 40Х13 закаливаются на мартенсит при охлаждении в воздухе.
Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легирования, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Особенности термообработки высоколегированных сталей можно проиллюстрировать на примере быстрорежущих сталей (Р18, Р9Ф5, Р6М3 и др.), которые приобретают высокие эксплуатационные свойства после закалки и трехкратного отпуска (рисунок 4.2.).

Рисунок 4. 2. Схема термической обработки быстрорежущей стали: а – без обработки холодом; б – с обработкой холодом

Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 (С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей – высокая температура нагрева для растворения вторичных специальных карбидов.
От температуры закалки мелкие инструменты охлаждают на воздухе, крупные – в масле. Сложные по форме инструменты для уменьшения деформаций подвергают ступенчатой закалке с выдержкой в горячих средах при температуре 500600 (С.
После закалки не достигается максимальная твердость сталей, так как в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов содержится 3040 % остаточного аустенита (температура Мк ниже 0 (С). Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске или обработке холодом. Отпуск проводят при температуре 550570 (С. При отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды М6С. Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже точки Мн испытывает мартенситное превращение. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего аустенита. Поэтому применяют трехкратный отпуск с выдержкой при каждом 1 ч и охлаждением на воздухе. При этом количество остаточного аустенита снижается до 35 %. Применение обработки холодом после закалки сокращает цикл термической обработки. В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов и твердость HRCэ 6365.

4.1.2. Цементуемые легированные стали
Для получения высокой твердости (HRCэ 5862), контактной выносливости и предела усталости при изгибе, после химико-термической обработки цементованный слой должен иметь высокую закаливаемость и прокаливаемость.
Прокаливаемость сердцевины должна обеспечить высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, и твердость HRCэ 3034.
Для обеспечения требуемой прокаливаемости слоя и сердцевины и минимальной деформации при закалке для изготовления деталей, работающих на износ в условиях знакопеременных и ударных нагрузок (распределительные валы, толкатели, зубчатые колеса), используют закаливаемые в масле или на воздухе низколегированные низкоуглеродистые (не более 0,3 % С) стали.
К таким материалам относятся хромистые стали (15Х, 20Х), хромомарганцевые стали (18ХГТ, 20ХГР, 25ХГТ, 30ХГТ), хромоникелевые стали (12ХН3А, 12Х2Н4А), хромомарганцевоникелевые стали (15ХГН2ТА) и хромоникельмолибденовые стали (18Х2Н4МА).

4.1.3. Улучшаемые легированные стали
Улучшению, закалке и высокому отпуску (500600 (С) на структуру сорбита подвергают стали, содержащие 0,30,5 % С и не более 5 % легирующих элементов.
Улучшаемые стали предназначены для изготовления ответственных деталей машин (валов, штоков, шатунов), работающих в условиях циклических у ударных нагрузок, концентрации напряжений, а в некоторых случаях при пониженных температурах. Поэтому они должны иметь высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.
Большое значение для этих сталей имеет порог хладноломкости, предел выносливости и другие параметры конструктивной прочности.
Высокий комплекс механических свойств возможен только при сквозной прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей характеристикой этих сталей. Кроме прокаливаемости важно обеспечить в сталях мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости.
К сталям, прокаливающихся в сечениях до 2535 мм относятся 30Х, 40Х, 40ХФА; в сечениях до 5075 мм – 40ХГТР, 30ХГС, 40ХН; в сечениях до 75100 мм – 30ХН3А, 40ХН2МА; в сечениях более 100 мм – 36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА.

4.1.4. Рессорно-пружинные легированные стали
Рессорно-пружинные легированные стали предназначены для изготовления упругих элементов общего назначения. Особенности работы пружин, рессор и других деталей пружинного типа состоит в том, что при значительных нагрузках в них не допускается остаточная деформация.
В связи с этим стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, а также высоким пределом выносливости.
Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,50,7 % С), которые подвергают закалке и среднему отпуску (420520 (С) на троостит.
Небольшие пружины простой формы изготавливают из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии.
Термообработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой.
Все легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются Si и Mn, а в сталях более ответственного назначения – Cr, V, Ni. Легирование (кроме Si и Mn) мало влияет на предел упругости – главное свойство этих сталей. Более существенно оно проявляется в повышении релаксационной стойкости, прокаливаемости, предела выносливости. Релаксация опасна тем, что в результате перехода части упругой деформации в пластическую упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форм и теряют свои эксплуатационные свойства.
Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, обеспечивают более длительную и надежную работу машин и приборов.
Для рессор из полосовой стали 316 мм, пружинной ленты толщиной 0,083 мм и для витых пружин из проволоки толщиной 3-16 мм применяются стали 60С2 (60С2А) и 50ХГ (50ХГА). Для тяжело нагруженных пружин и рессор ответственного назначения используют стали 70С3А, 60С2ХА, 60С2Н2А, 65С2ВА.
Для ответственных пружин и рессор, работающих при повышенной температуре (до 300 (С) и многократных переменных нагрузках применяют стали 50ХФА и 50ХГФА.
Соответствие некоторых отечественных марок легированных рессорно-пружинных сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.2.

Таблица 4.2
Аналоги зарубежных рессорно-пружинных сталей
Страны СНГ
(ГОСТ)
Германия (DIN)
Евронормы
США
(стандарты)
Япония
(JIS)

38С2А
38Si7
(1.5023)*
-
-

50ХГФА
50CrV4
(1.8159)*
6150
SUP10

52ХГМФА
51CrMoV4
(1.7701)*
-
-

55ХС2А
54SiCr6
(1.7102)*
-
-

55ХГА
55Cr3
(1.7176)*
5147
-

60С2ХА
60SiCr7
(1.7108)*
9262
-

Примечание: * - цифровое обозначение.

Штампами называют инструменты, изменяющие форму материала без снятия стружки. Стали, используемые для изготовления штампового инструмента, должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации и износостойкостью, а в некоторых случаях (при разогреве) и повышенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали должны иметь высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой объем при закалке.
Для изготовления штампов холодного деформирования наиболее часто применяют высокохромистые стали (Х12Ф1, Х12М, 4ХВ2С, 5ХВ2С). Их подвергают закалке с 11001170 (С и однократному или многократному отпуску. После термообработки эти стали имеют твердость HRCэ 4254.
Для штамповки легких металлов используют обычно стали с вязкой сердцевиной (малопрокаливающиеся), такие как У10, 11ХВ, 7ХГНМ и др.
Для деформирования более прочных металлов применяют низколегированные инструментальные стали, а для пуансонов, работающих в условиях больших нагрузок – быстрорежущие стали.
Для вырубных и отрезных штампов нужны износостойкие стали с повышенным содержанием карбидов (Х12ВМ, Х12Ф4М и др.).
Стали для слесарно-монтажного инструмента отличаются износостойкостью, повышенной вязкостью и высоким сопротивлением смятию рабочих кромок. Для гаечных ключей используют сталь 40ХВА, для молотков – 50ХФА, отверток – 50 и 50ХФ, плоскогубцев – У7, У8 или 7ХФН.
Стали для штампов горячего деформирования должны обладать еще высокой разгаростойкостью, низким коэффициентом теплового расширения, окалиностойкостью, теплопроводностью и прокаливаемостью. Под разгаростойкостью понимают устойчивость к образованию поверхностных трещин, вызываемых объемными изменениями в поверхностном слое при резкой смене температур.
В соответствии с указанными требованиями для штампов горячей обработки давлением применяют легированные стали, содержащие 0,30,6 % С, которые после закалки подвергают отпуску при температуре 550680 (С на структуру троостита.
Для небольших штампов (со стороной 200300 мм) применяют стали 5ХНВ, 4ХСМФ; при средних размерах (300400 мм) – стали 5ХНСВ, 5ХГМ; для более крупных штампов – 5ХНМ, 27Х2НМФ и 30Х2НМФ.

4.1.5. Коррозионностойкие стали
Коррозией называют разрушение металлов под воздействием окружающей среды. При этом металлы часто покрываются продуктами коррозии. В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.
Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов (кислот, щелочей и солей).
К электрохимической коррозии относится также атмосферная и почвенная коррозия.
Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден, то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту местную коррозию подразделяют на точечную, коррозию пятнами и язвами.
Очаги коррозии являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая межкристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен, вглубь, резко снижая при этом механические свойства. Кроме того, различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и, обычно, напряжений растяжения. Этот вид коррозии приводит к коррозионному растрескиванию, т. е. образованию в металле тонкой сетки трещин при воздействии коррозионной среды и напряжений.
Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550 (С), называют жаростойкой.
Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют нержавеющими. Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал в разных агрессивных средах.
Повышение жаростойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, которые находятся в твердом растворе и образуют в процессе нагрева защитные пленки Cr окислов (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2O3. Введение в сталь 58 % Cr повышает окалиностойкость до 700750 (С; увеличение содержания Cr до 1517 % делает сталь окалиностойкой до 9501000 (С, а при введении 25 % Cr сталь остается окалиностойкой до1100 (С.
Легирование сталей с 25 % Cr алюминием в количестве 5 % повышает жаростойкость до 1300 (С. Жаростойкость зависит от состава стали и в меньшей степени от ее структуры.
Составы нержавеющих сталей, устойчивых против электрохимической коррозии, устанавливаются в зависимости от среды, для которой они предназначены.
Эти стали можно разделить на два основных класса :
1) хромистые стали, имеющие после нормализации ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную структуру;
2) хромоникелевые стали, имеющие после нормализации аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную структуру (феррита более 10 %).
Хромистые стали с содержанием хрома ( 13 % обладают устойчивостью против коррозии в атмосферных условиях, слабых растворах кислот и солей, других агрессивных средах.
Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13), содержащие 13 % Cr и 0,20,4 % С обладают повышенной твердостью и используются для изготовления деталей, работающих на износ, упругих элементов и режущего инструмента. Эти стали склонны к коррозионному растрескиванию.
Стали мартенситно-ферритного (12Х13) и ферритного (03Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28) класса более стойки против коррозионного растрескивания, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии, обладают меньшей твердостью и большей пластичностью, удовлетворительно свариваются.
Для предотвращения межкристаллитной коррозии нержавеющие стали дополнительно легируют титаном. Эти стали используются главным образом для деталей, работающих в окислительных средах (азотной кислоте), в водных растворах аммиака, сероводороде и других агрессивных средах, на заводах пищевой и легкой промышленности.
Хромоникелевые нержавеющие стали обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с хромистыми сталями в атмосферных условиях, в органических кислотах и в серной кислоте, но более дороги из-за наличия дефицитного никеля.
Стали аустенитного класса (12Х18Н9, 12Х18Н9Т) обладают высокой пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются, подвергаются холодной обработке давлением, но имеют невысокую прочность.
Аустенитные хромоникелевые стали широко используются в конструкциях, изготавливаемых из листового материала штамповкой и сваркой (обшивки, оболочки, емкости, трубопроводы) в машино-, приборо-, и судостроении, химической и пищевой промышленности, архитектуре и быту.
Стали аустенитного класса являются самыми коррозионностойкими из всех нержавеющих сталей.
Для уменьшения стоимости аустенитных нержавеющих сталей никель заменяют марганцем.
Например, стали 10Х14Г14Н3, 10Х14Г14Н4Т применяют в слабоагрессивных средах для оборудования пищевой промышленности.
Стали аустенитно-ферритного класса (12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т) используются как заменители аустенитных сталей, так как, обладая теми же механическими свойствами и достаточно высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах, они более технологичны и содержат меньше дефицитного никеля.
Стали аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н8, 09Х15Н8Ю) используют в тех случаях, когда наряду с высокой коррозионной стойкостью требуется повышенная прочность.
Соответствие некоторых отечественных марок легированных коррозионностойких сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.3.





Таблица 4.3
Аналоги зарубежных коррозионностойких сталей
Страны СНГ
(ГОСТ)
Евронормы
США
(стандарты)

08Х13
X6Cr13
(1.4000)*
410S

10Х13
X10Cr13
(1.4878)*
410

20Х13
X20Cr13
(1.4021)*
420

06Х18Н11
X4CrNi18-11
(1.4303)*
305L

15Х17Н7
X12CrNi17-7
(1.4310)*
301

08Х18Н12Т
X6CrNiTi18-10 (1.4541)*
321

12Х18Н10Т
X12CrNiTi18-9 (1.4878)*
-

10Х2М
10CrMo9-10
(1.7380)*
F22

13ХМ
13CrMo4-4
(1.7335)*
F12

14ХМФ
14MoV6-3
(1.7715)*
-

15М
15Mo3
(1.5415)*
F1

17Г
17Mn4
(1.0460)*
-

20Г
20Mn5
(1.1133)*
-

20Х11МНФ
20CrMoV12-1
(1.4922)*
-

Примечание: * - цифровое обозначение.

Контрольные вопросы:
1. Каково предельное содержание серы и фосфора в высококачественных сталях?
2. Какие марки легированных сталей следует применять для деталей, работающих при криогенных температурах?
3. Какие марки высококачественных сталей Вы знаете?
4. К какому классу по структуре относится сталь 12Х18Н10Т?
5. Какие марки высокопрочных сталей Вы знаете?
6. Что представляет собой сплав Р6М5?
7. Как расшифровать марку стали АС40?
8. Какие марки инструментальных котельных, пружинно-рессорных, штамповых, износостойких сталей Вы знаете?
9. Какие хромистые стали относятся к мартенситному классу?
10. За счет чего повышается жаростойкость легированных сталей?
11. Что такое разгаростойкость?
12. К чему приводит легирование стали никелем до 4 % и хромом до 1,5 %?
13. Какая должна быть твердость у цементуемых легированные сталей?
14. Из какой стали изготавливают рабочие емкости пищевых машин и аппаратов?
15. Какие стали применяются для штамповки легких металлов?
16. Какие марки сталей применяют для изготовления пружин и рессор?
17. Какие марки сталей применяют для изготовления деталей, работающих на износ в условиях знакопеременных и ударных нагрузок?
18. Как расшифровать марку стали 15Х2НМФАА?
19. Как расшифровать марку стали 12Х18Н9Т?
20. Как расшифровать марку стали 60С2?
21. Как расшифровать марку стали 7ХГНМ?
22. Какие марки улучшаемых легированных сталей Вы знаете?
23. Какие марки сталей применяются для изготовления деталей, работающих в слабоагрессивных средах для оборудования пищевой промышленности.?
24. Какими буквами кодируются легирующие элементы в сталях?



4.2. Жаропрочные стали.
Жаропрочностью называется способность материала длительно сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.
При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.
Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Ползучесть приводит к релаксации (постепенному уменьшению) напряжений в предварительно нагруженных деталях.
Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности.
Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. В обозначении предела ползучести указывают температуру, величину деформации и время, за которое она возникает. Например, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 (С в материале появится пластическая деформация 1 %.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время разрушения. Например, 13 EMBED Equation.3 1415=130 МПа означает, что при температуре 600 (С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10000 часов. Предел длительной прочности всегда меньше предела прочности, определяемого при кратковременных испытаниях при той же температуре.
Основной путь повышения жаропрочности – создание в материалах крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах. Для получения оптимальной структуры в жаропрочных сталях используют комплексное легирование, и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.
Упрочняющими фазами в жаропрочных сталях служат карбиды. Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем выше жаропрочность.
Для упрочнения границ в жаропрочные стали и сплавы вводят малые добавки (0,10,01 %) легирующих элементов, которые концентрируются по границам зерен. Особенно часто в этих целях используют бор, церий и другие редкоземельные металлы.
Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат:
1) термомеханическая обработка для получения структуры полигонизации;
2) увеличение прочности межатомных связей в сталях, когда благодаря легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой;
3) создание анизотропной структуры направленной кристаллизацией.

Ниже 450 (С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными сталями.
При температурах 450700 (С используются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали с жаропрочными свойствами 13 EMBED Equation.3 1415=80120МПа и 13 EMBED Equation.3 1415=3090 МПа.
К перлитным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 12ХМФ и 25Х2М1Ф с максимальной рабочей температурой 580 (С, легированные карбидообразующими химическими элементами, такими как хром, молибден и ванадий. Эти стали используются главным образом в котлостроении.
Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при температурах до 600 (С, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов.
К мартенситным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 15Х5М, 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ и 40Х10С2М (сильхром), с повышенным содержанием хрома. Сильхромы характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Аустенитные жаропрочные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах от 600 до700 (С. Основными легирующими элементами являются хром и никель, для образования карбидов вводят Mo, Nb, Ti, Al, W и др. Примеры аустенитных жаропрочных сталей: 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р.

Контрольные вопросы
1. Какие марки жаропрочных сталей Вы знаете?
2. Какие марки жаростойких сталей Вы знаете?
3. Как можно повысить жаропрочность сталей?
4. Какие детали следует изготавливать из жаропрочных сталей?
5. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к аустенитному классу?
6. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей относятся к мартенситному и мартенситно-ферритному классу?
7. Какие марки жаростойких и жаропрочных сталей обладают интерметаллидным упрочнением?
8. Как расшифровать марку жаростойкого сплава ХН60Ю3?
9. Что означает 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 МПа?
10. Из какого материала изготавливают клапаны двигателей внутреннего сгорания?
11. В каком случае следует заменить конструкционные стали на жаропрочные?
12. В чем заключается критерий жаропрочности?
13. Какие основные легирующие элементы повышают жаропрочность в жаропрочных сталях?
14. Какие марки сталей применяются для работы при температурах 550800 (С?
15. Из какой стали изготавливают нагревательные котлы?
16. Как расшифровывается марка стали 45Х14Н14В2М?

4.3. Инструментальные стали.
Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HRCэ 6065), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска состоит из мартенсита и избыточных карбидов.
Одной из важных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость, т. е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы.
По теплостойкости применяемые материалы подразделяют на следующие группы:
1) углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200 (С;
2) высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600640 (С;
3) твердые сплавы с теплостойкостью до 8001000 (С (ВК3, ВК4, Т30К4, ТТ8К6 и т. п.);
4) сверхтвердые материалы с теплостойкостью до 1200 (С (алмаз – до 800 (С, кубический нитрид бора).

Углеродистые стали (ГОСТ 1435) производят качественными У7, У8, У9, , У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, , У13А. Буква "У" в марке означает, что это углеродистая сталь, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Их подвергают неполной закалке и низкому отпуску.
Из-за низкой прокаливаемости (1012 мм) углеродистые стали применяют для мелких инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, у которых режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т. п.).
Низколегированные инструментальные стали (ХВ4, 9ХС, ХВГ, ХВСГ) содержат до 5 % легирующих элементов, которые вводят для увеличения закаливаемости, прокаливаемости, уменьшения деформаций и опасности растрескивания инструментов.
По структуре низколегированные стали относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке и низкому отпуску.
Низколегированные стали применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрев свыше 200260 (С. В отличие от углеродистых сталей они меньше склонны к перегреву и позволяют изготовлять инструменты больших размеров и более сложной формы.
К быстрорежущим сталям относят высоколегированные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Высокая теплостойкость этих сталей обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом и ванадием.
Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (ГОСТ 19265). Например, Р18, Р9 и Р6М5.
Быстрорежущие стали подвергают закалке с 12701290 (С и трехкратному отпуску при 550570 (С или обработке холодом и однократному отпуску при 550570 (С.
Твердые сплавы изготавливают методами порошковой металлургии. Порошки карбидов вольфрама, титана, тантала смешивают с порошком кобальта, играющего роль связки, прессуют и спекают при 14001550 (С. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается твердый материал, состоящий на 8095 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение количества кобальта снижает твердость, но повышает прочность и вязкость.
Твердые сплавы производят в виде пластин, которые напаивают на держатели из углеродистой стали. Применяют для изготовления резцов, сверл, фрез.
Инструмент сочетает высокую твердость HRCэ 7476 и износостойкость с высокой теплостойкостью.
В зависимости от состава карбидной основы, спеченные твердые сплавы выпускают трех групп:
1) Вольфрамовую группу составляют сплавы системы WC-Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах – ВК3, ВК10, ВК15 и т. п.;

2) Титано вольфрамовую группу образуют сплавы системы TiC-WC-Co. Они маркируются буквами «Т», «К» и цифрами, показывающими содержание карбидов титана и кобальта в процентах – Т15К6, Т5К12 и т. п. Обладают более высокой теплостойкостью (9001000 (С), которая повышается по мере увеличения карбидов титана;

3) Титано-тантало-вольфрамовую группу образуют сплавы системы TiC-TaC-WC-Co. Цифра в марке после букв ТТ обозначает суммарное содержание карбидов титана и тантала, а после буквы «К» – количество кобальта (ТТ17К2, ТТ10К8, ТТ20К9).

От предыдущей группы эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.
Они применяются для наиболее тяжелых условий резания (черновая обработка стальных слитков и поковок)
Соответствие некоторых отечественных марок легированных быстрорежущих сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.4.



Таблица 4.4
Аналоги зарубежных углеродистых и быстрорежущих инструментальных сталей

Страны СНГ
(ГОСТ)
Германия
(DIN)
Евронормы
США
(стандарты)

У8А
С80W1
(1.1525)
W108

У10А
С105W1
(1.1545)
W110

У13
С125W
(1.1663)
W112

Р0М2СФ10-МП
-
A11

Р2М9-МП
S2-9-2
(1.3348)*
M7

Р2М10К8-МП
S2-10-1-8
(1.3247)*
M48

Р6М5-МП
S6-5-2
(1.3343)*
M2

Р6М5К5-МП
S6-5-2-5
(1.3243)*
-

Р6М5Ф4-МП
-
M4

Р10М4Ф3К10-МП
S10-4-3-10
(1.3207)*
-

Р12М6Ф5-МП
-
M61

Р12Ф4К5-МП
S12-1-4-5
(1.3202)*
-

Р12Ф5К5-МП
-
Т15

Р18-МП
-
T1

Примечание: * - цифровое обозначение.

Контрольные вопросы

1. Из какой стали изготавливают инструмент, обладающий теплостойкостью (8001000 °С), и предназначенный для обработки твердых материалов?
2. Какие марки инструментальных сталей Вы знаете?
3. Из какой инструментальной стали изготавливают слесарные молотки, зубила, керны?
4. Как расшифровать марку инструментальной быстрорежущей стали Р18?
5. Что представляет собой сплав Р6М5?
6. Какие марки штамповой стали Вы знаете?
7. Из какой стали изготавливают измерительный инструмент?
8. Какими свойствами обладают стали марок ХВГ, У7А?
9. Как расшифровать марку стали Р12М6Ф5-МП?
10. Какие существуют зарубежные аналоги быстрорежущих сталей отечественного производства?
11. Как влияют такие легирующие элементы как хром и вольфрам на эксплуатационные качества инструментальных сталей?
12. С какой целью стали легируют молибденом?
13. Какое влияние оказывает кобальт на титано вольфрамовую группу сплавов?

4.4. Износостойкие стали.
Необходимым условием обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания является высокая твердость поверхности. При работе в условиях больших давлений и ударов наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за интенсивного деформационного упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации.
Наибольшей износостойкостью при абразивном изнашивании обладают материалы, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающих их высокопрочной матрицы. Такие материалы обычно используют в виде наплавочных. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости. Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аустенитной.
Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой.
К ним относятся сплавы типа У25Х38, У30Х23Г2С2Т (цифры, стоящие после буквы "У", показывают содержание углерода в десятых долях процента). Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), изготовляют из сплавов с аустенитно-мартенситной (У37Х7Г7С) или аустенитной (У11Г13, У30Г34) матрицей. Для обеспечения устойчивости к усталостному виду изнашивания, которому обычно подвергаются детали подшипников качения, используются высокоулеродистые хромистые подшипниковые стали, такие как ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС. Они содержат примерно 1 % углерода (ГОСТ 801-78), цифра означает массовую долю хрома в десятых долях процента.
Трение с высокими давлениями и ударным нагружением характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их изготавливают из высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, содержащей 1,1 % С и 13 % Mn.
Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению. В условиях ударного воздействия твердость этой стали возрастает с НВ = 2000 МПа до НВ = 6000 МПа.
Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем. Соответствие некоторых отечественных марок легированных подшипниковых сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.5.
Таблица 4.5
Аналоги зарубежных подшипниковых сталей

Страны СНГ
(ГОСТ)
Евронормы
США
(стандарты)
Япония
(JIS)
Китай
(GB)

ШХ4
100Cr2
(1.3501)*
50100
-
G20Cr2Ni4

ШХ15
100Cr6
(1.3505)*
52100
SUJ2
GCr15

ШХ15СГ
100CrMn6
(1.3520)*
A485
SUJ3
GCr15SiMn

Примечание: * - цифровое обозначение.


Контрольные вопросы

1. Какую сталь целесообразно использовать для изготовления ковшей экскаваторов?
2. Какие марки износостойких сталей Вы знаете?
3. Как достигается высокая износостойкость стали ШХ15?
4. Какие легирующие элементы повышают износостойкость сталей?
5. Какой сталью можно заменить износостойкий чугун?
6. Какие существуют зарубежные аналоги подшипниковых сталей отечественного производства?
7. Как изменяется износостойкость сталей, легированных хромом?
8. Как влияет кремний на износостойкость сталей?
9. Как влияет марганец на износостойкость сталей?
10. В каких эксплуатационных условиях следует применять сталь марки 110Г13Л?
11. Как изменяется износостойкость сталей, легированных марганцем?
12. Почему износостойкие стали марки 110Г13Л плохо свариваются?
13. Что обеспечивает устойчивость к усталостному виду изнашивания в износостойких сталях?
14. Что является необходимым условием обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания поверхности.?
15. Почему износостойкие стали марки 110Г13Л не подвергаются обработке резанием?
16. Как расшифровать марку износостойкой сталиУ37Х7Г7С?

Тема 5. ПЛАСТМАССЫ, РЕЗИНЫ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

5.1. Пластмассы.
Пластмассы – это материалы на основе полимеров (высокомолекулярных соединений), в состав которых может входить значительное число компонентов как органического, так и минерального происхождения, обеспечивающих реализацию в материале широкого спектра разнообразных свойств.
Пластмассы применяются в основном в виде твердых, жестких материалов, изделия из которых способны выдерживать значительные нагрузки. Температурная область эксплуатации пластмасс охватывает интервал от - 200° С до +800-1000° С .
Физические свойства полимеров зависят не только от молекулярного веса и формы молекулы, но и от строения молекулярной цепочки. Современная технология синтеза полимеров позволяет контролировать возможность образования различных структур. К основным молекулярным структурам полимеров относятся: линейные, разветвленные, сшитые и сетчатые, а также возможные изомерные конфигурации.
На рисунке 5.1 представлены схематические изображения линейных, разветвленных, сшитых и сетчатых полимеров.
Линейные полимеры – это макромолекулы, в которых повторяющиеся единицы последовательно присоединяются к концам друг друга. Такие длинные макромолекулы представляют собой гибкие цепочки, которые можно сравнить со спагетти (рисунок 5.1, а). Между цепочками линейных полимеров может существовать вандерваальсово взаимодействие с образованием водородных связей. Типичными примерами линейных полимеров являются полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат, полибутадиен, нейлон и фторопласты.
Разветвленные (лестничные) полимеры представляют собой основную цепь макромолекулы с присоединенными боковыми длинными ответвлениями (рисунок 5. 1, б). Боковые ветви, присоединенные к основной цепи, могут образовываться в ходе химических реакций в процессе синтеза полимера.




а б






в г

Рисунок 5.1. Схематические изображения полимеров: а – линейные; б – разветвленные; в – сшитые; г – сетчатые

Плотность молекулярной упаковки снижается, что приводит к уменьшению удельного веса материала. В полимерах, которые обычно рассматриваются как линейные, также могут существовать боковые ответвления. Например, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) – это линейный полимер, а макромолекулы полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) содержат короткие боковые ответвления.
Разветвленная форма соответствует полиизопрену, полиизобутилену, полиэтилентерефталату.
Сшитые полимеры имеют соседние линейные цепочки, связанные между собой в различных местах ковалентными связями (рисунок 5.1, в). Образование поперечных сшивок происходит непосредственно в процессе синтеза, а также путем необратимых химических реакций с другими химическими веществами, например серой. Часто формирование поперечных сшивок осуществляется путем введения посторонних атомов или молекул, ковалентно присоединяемых к основным цепям. В частности резины получаются именно вследствие образования поперечных связей между макромолекулярными цепями.
Сшитые формы макромолекул свойственны полиизобутилену, фторопласту, некоторым видам силикона и эпоксидированным полимерам. К полимерным композициям со сшитой трехмерной формой макромолекул относятся эбониты и фенопласты.
Сетчатые полимеры представляют собой полифункциональные мономеры, образующие три или более активные ковалентные связи, которые выстраиваются в трехмерную сетчатую структуру. Такие материалы обладают особенными механическими и термическими свойствами. К таким полимерам относятся эпоксидные смолы, полиуретаны и фенолформальдегидные смолы. Сшитую сетчатую (паркетную) форму макромолекул имеют целлюлоза, хитин и другие при родные полимеры.
Для оценки качества полимерных материалов в классификационной системе выделены два основных параметра: прочность, т. е способность противостоять внешним нагрузкам и теплостойкость – способность сохранять работоспособность в определенном интервале температур.
Промышленные полимеры по своим свойствам могут быть разделены на 4 группы:
1) пластмассы общетехнического назначения (полиолефины, полистиролы, поливинилхлорид, полиакрилаты, эфиры целлюлозы);
2) пластмассы инженерно-технического назначения (материалы на основе полиамидов, поликарбоната, полиацеталей, модифицированного полифениленоксида, полиалкилентерефталатов;
3) теплостойкие и высокопрочные пластики;
4) материалы специального назначения.

Состав пластмасс разнообразен. Простые пластмассы – это полимеры без добавок. Сложные пластмассы – это смеси полимеров с различными добавками, такими как наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т. д. Изделия из пластмасс изготавливаются как на основе индивидуального полимера, так и полимернаполненной композиции.
Наполнители добавляют в количестве 4070 % по массе для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров. Наполнители – это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, кварцевый песок, тальк, двуокись титана, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные) и листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон).
Стабилизаторы – различные органические вещества, которые вводят в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств.
Пластмассы имеют свойство стареть в связи изменением структуры молекул. Добавки стабилизаторов замедляют старение.
Пластификаторы добавляют в количестве 1020 % для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости.
Пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами и небольшой молекулярной массой (олигомеры).
Специальные добавки – смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, для защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие – служат для изменения или усиления какого-либо свойства.
Отвердители, изменяя структуру полимеров, влияют на многие свойства пластмасс. Чаще всего используют такие отвердители, которые ускоряют полимеризацию (оксиды некоторых металлов, уротропин и другие вещества).
В зависимости от поведения при нагревании полимеры делятся на две группы – термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Никаких необратимых химических превращений при нагревании и охлаждении в этих полимерах не происходит.
Термореактивные полимеры или реактопласты при нагревании претерпевают необратимые химические превращения, в результате которых они твердеют, утрачивают растворимость в различных средах и способность к изменению формы.
Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера.
Применение пластмасс как конструкционных материалов экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного.
Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.
Характерными особенностями пластмасс являются малая плотность - 10002000 кг/м3, а у пенопластов от 15 до 800 кг/м3; высокая химическая стойкость; хорошие электроизоляционные свойства; невысокая теплопроводность – 0,20,3 Вт/(м(К) и значительное тепловое расширение, в 1030 раз больше, чем у обычных сталей.
К недостаткам пластмасс относятся низкая теплостойкость, большинство из них разлагается при температурах 150300 (С, малая жесткость и небольшая вязкость по сравнению с металлами.
Все пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные.
Термопласты - это пластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке.
Реактопласты – это пластические массы, переработка которых в изделия сопровождается химическими реакциями, без повторного использования в качестве вторичного сырья.

5.1.1. Термопластичные пластмассы
К основным термопластичным материалам, применяемым в промышленности, относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиамиды т. д.
Эти материалы изготавливают из высокомолекулярных органических соединений. Исходным сырьем, как правило, служат низкомолекулярные соединения. Макромолекулы имеют линейную или разветвленную форму.
Полиэтилен получают полимеризацией этилена CH2 = CH2. В результате образуются линейные молекулы с повторяющимся звеном (- CH2 - CH2 -)n. При полимеризации (температура 80 (С и давление до 200 МПа) получают полиэтилен низкого давления (ПЭНД) или высокой плотности (ПЭВП).
Если полимеризация осуществляется при давлениях 300400 МПа и температуре 150 (С, получают полиэтилен среднего давления (ПЭСД). При более высоких давлениях и температуре 200300 (С получают полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или низкой плотности (ПЭНП). Предел прочности при растяжении составляет 816 МПа для ПЭВД, 21-29 МПа для ПЭСД и 26,5-32,5 для ПЭНД. Относительное удлинение меняется от 200 % для ПЭНД до 800 % для ПЭВД.
Температура плавления полиэтилена находится в пределах от 105 до 130 (С. Изделия из ПЭВД могут эксплуатироваться до 60 (С, из ПЭНД – до 100 (С. Изделия становятся хрупкими при температуре ниже –70 (С. Полиэтилен обладает водостойкостью, стоек в растворах серной и соляной кислот, щелочах.
Пленки из полиэтилена газопроницаемы, но водяные пары проникают плохо. Поэтому их используют для упаковки продуктов. Полиэтилен является экологически безвредным, поэтому его применяют в медицине, жилищном строительстве, в пищевом машиностроении.
Полипропилен получают полимеризацией пропилена. Химическая формула повторяющегося звена молекул - 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Технологический процесс производства полипропилена во многом сходен с производством полиэтилена низкого давления. Полипропилен имеет более высокую прочность, чем полиэтилен ((в = 2540 МПа), обладает высокой ударной вязкостью, может эксплуатироваться без нагрузки до 150 (С. Имеет низкую морозостойкость – до –30 (С.
Полипропилен перерабатывается экструзией, литьем под давлением, прессованием, его можно сваривать, напылять на металл, ткань, картон, подвергать механической обработке.
Полипропилен применяют для изготовления труб, пленки, синтетического волокна. Пленки из полипропилена обладают высокой прозрачностью, теплостойкостью, имеют малую газо- и паропроницаемость. Полипропилен применяют также и для изготовления пористых материалов – пенопластов.
Из поливинилхлорида (- CH2 – CHCl -)n изготавливают два вида пластмасс – винипласт и пластикат.
Винипласт представляет собой жесткий поливинилхлорид, не содержащий пластификаторов. Его выпускают в виде листов, труб, пленок и сварочных прутков. Пленочный винипласт используют в качестве антикоррозионного покрытия, футеровки химической аппаратуры, для изоляции электрических проводов. Срок службы винипласта в 23 раза больше, чем у других неметаллических коррозионностойких материалов. В качестве конструкционного материала наполненные композиции ПВХ могут заменять цветные металлы, так как имеют относительно высокий предел прочности ((в = 5065 МПа).
Винипласт хорошо обрабатывается на металло- и деревообрабатывающих станках, поддается сварке и склеиванию.
При нагреве склеивается с металлом и бетоном. Его применяют для упаковки лекарств и пищевых продуктов, для изготовления обложек книг и папок, для электротехнических целей, вентиляционных воздуховодов и других конструкций.
Пластикат представляет собой пластифицированный поливинилхлорид. Пластикат обладает хорошей стойкостью к старению, эластичен, влагонепроницаем, не горюч, стоек против действия бензина и различных масел. Морозостоек до –50 (С.
Пластикат используется для изготовления различных изделий, в частности – линолеума.
Полистирол получают полимеризацией стирола. Он имеет химическую формулу 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 . Полистирол является твердым материалом, устойчив к воздействию растворов кислот, щелочей, светостоек. Растворяется в органических растворителях. Полистирол является отличным диэлектриком при температурах от –80 до +110 (С. Его используют для изготовления изоляторов, фасонных изделий, лент и труб для изоляции проводов, корпуса электроприборов, телефонов.
Полиамиды представляют собой сложные полимеры, содержащие амидные группы . В настоящее время синтезировано очень большое число полиамидов, но наибольшее промышленное использование получили капрон, нейлон и лавсан. Перерабатывают полиамиды в изделия литьем под давлением, экструзией и центробежным литьем.
Полиамиды отличаются высокой прочностью ((в = 7585 МПа) особенно при ударных нагрузках, хорошей эластичностью (волокно из полиамида или пленку можно удлинить в 46 раз). Они имеют хорошие антифрикционные свойства.
Их коэффициент трения уступает лишь фторопластам. Полиамиды относятся к числу важнейших конструкционных неметаллических материалов благодаря сочетанию высокой удельной прочности с высокой коррозионной стойкостью.
Из полиамидов изготавливают подшипники, вкладыши к подшипникам, втулки, муфты, лопасти гребных винтов, электроизоляторы, медицинские инструменты.
К числу недостатков полиамидов относятся низкая морозоустойчивость, резкая зависимость свойств от поглощения воды, резкое снижение прочности при температурах превышающей 100 (С.

5.1.2. Термореактивные пластмассы
Термореактивные пластмассы отличаются от термопластичных повышенной теплостойкостью, практически полным отсутствием ползучести под нагрузкой при обычных температурах, постоянством физико-механических свойств в интервале температур их эксплуатации.
Термореактивные пластмассы получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров с различными наполнителями.
Из этого класса пластмасс наиболее распространенными являются фенолформальдегидные пластические массы, имеющие общее название – фенопласты. При термической деструкции полимеров этого типа образуется углеродистый остаток (так называемый кокс), обладающий высокой термостойкостью.
При нагревании или в присутствии отвердителей смолы переходят в полимеры, имеющие сетчатое строение. В зависимости от характера наполнителя и степени его дисперности фенопласты подразделяют на пресс-порошки, волокниты и слоистые пластики.
Пресс-порошки применяют для изготовления как технических, так и бытовых изделий. От характера наполнителя зависят механическая прочность, теплостойкость, химическая стойкость и диэлектрические свойства. Из органических наполнителей чаще всего используют древесную муку, из неорганических – слюду, кварц, плавиковый шпат, каолин. Пластмассы с минеральными наполнителями превосходят по свойствам пластмассы с органическим наполнителем. Максимальная температура эксплуатации составляет 200 (С.
Пресс-материалы с порошковыми наполнителями обладают относительно невысокими механическими свойствами, при растяжении (в = 3060 МПа, при сжатии (в = 150190 МПа.
При использовании волокнистых наполнителей из асбеста, хлопковой целлюлозы и стеклянного волокна прочность повышается до (в = 90 МПа при растяжении и (в = 1200 МПа при сжатии. При увеличении длины волокон до 30 мм ударная вязкость возрастает с 90 кДж/м2 до 200 кДж/м2.

При использовании в качестве наполнителя асбестового волокна и новолачной смолы получают асбоволокнит. Из него получают изделия общетехнического назначения: переключатели, фланцы, рукоятки, шестеренки. Материал стоек к воздействию воды, слабых растворов кислот, щелочей, достаточно термостоек – до 300 (С.
На основе резольной смолы и асбеста получают фаолит. Он стоек в кислотах: серной (средних концентраций до 50 (С), соляной (всех концентраций до 100 (С), уксусной, фосфорной (до 80 (С), лимонной (до 70 (С).
Также фаолит устойчив в растворах различных солей (до 100 (С), в том числе натрия и кальция, в атмосфере газов: хлора и сернистого ангидрида до 90100 (С. Фаолит нестоек в азотной и плавиковой кислоте, в щелочах.
Из фаолита изготавливают разнообразную аппаратуру: емкости, ректификационные башни, холодильники, барботеры, арматуру, трубы и т. д. Фаолит можно эксплуатировать до 130150 (С. Он сравнительно хрупок, но по механической прочности превосходит кислотостойкую керамику.
При использовании в качестве наполнителя стеклянного волокна получают стекловолокнит. Это прочный, устойчивый к вибрационным нагрузкам материал, обладающий высокой удельной прочностью и стойкостью к действию агрессивных сред и микроорганизмов.
К пресс-материалам со слоистыми наполнителями относятся текстолит, гетинакс и стеклотекстолит.
Текстолит – это прессованный материал, изготавливаемый из хлопчатобумажной ткани или других слоистых материалов (например, асбестовая ткань), пропитанных фенолформальдегидной смолой и далее отвержденных. Пропитанные смолой пакеты прессуются между нагретыми плитами гидравлических прессов при температуре 145150 (С.
Текстолит прочнее фаолита (при растяжении (в = 65100 МПа). Он применяется для изготовления деталей, передающих усилия: шестерен, роликов для тросов, муфт и т. д.
Гетинакс имеет в качестве наполнителя бумагу и используется в электро- и радиопромышленности, особенно при изготовлении печатных схем.
Стеклотекстолит на основе стеклоткани имеет высокую удельную прочность, не уступающую, а иногда и превышающую аналогичный показатель для стали, дюралюминия и титана. Предел прочности при растяжении (в = 200600 МПа Стеклопластики хорошо противостоят действию ударных и динамических нагрузок, обладают способностью гасить колебания элементов конструкций. Они стойки к воздействию растворов электролитов, масел, жидких топлив. Из них изготавливают крупногабаритные конструкции для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей.
Прочностные свойства и теплостойкость могут быть повышены, если применять в качестве связующего материала эпоксидные, полиэфирные или кремнийорганические полимеры.
Кремнийорганические и элементорганические соединения, содержащие фосфор, алюминий и другие элементы, применяют для получения теплостойких материалов. Пластмассы на основе кремнийорганических смол сохраняют свои свойства в диапазоне температур от –60 до +250 (С, а некоторые даже до 550 (С.
Для изготовления указанных пластмасс чаще всего применяют полисилоксаны и полифенилсилоксаны. В качестве наполнителей используют стеклянные волокна, металлические порошки, кварцевую муку и др. Из этих пластмасс изготавливают электрическое оборудование и приборы, выдерживающие кратковременные нагревы до 20003000 (С.

5.1.3. Пластмассы общетехнического назначения
Пластмассы общетехнического назначения изготавливают из полиолефинов. Полиолефинами называются полимерные материалы, получаемые путем полимеризации и сополимеризации непредельных соединений ряда олефинов – этилена, пропилена, бутана, гексана и др.
Марки полиэтиленов состоят из восьми цифр: Первая цифра указывает на способ производства: 1 – высокое давление при полимеризации; 2 – низкое давление. Две последующие цифры обозначают метод производства базовой марки: 01-49 – автоклавный; 50-99 – в трубчатом реакторе. Четвертая цифра указывает на способ усреднения полимера: 0 – холодным смешением, 1 – в расплаве. Пятая цифра обозначает группу плотности. Цифры после тире – увеличенный в 10 раз показатель текучести расплава (ПТР).
Например, марка 15803-020 показывает, что это базовая марка ПЭ высокого давления (1), полученная в трубчатом реакторе (58), холодного усреднения (0), группы плотности 3 и с ПТР 2 г/10 мин.
Применяется для изготовления пленок, ламинированных и упаковочных материалов (с фольгой или бумагой), для изоляции проводов и кабелей, при изготовлении детских игрушек, изделий бытового назначения, медицинских изделий, для изготовления бутылок (для воды, соков, моющих средств и т.п.), упаковочных коробок и банок.
Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП низкого и среднего давления) характеризуется более высокой теплостойкостью, огнестойкостью, более высоким пределом при растяжении и изгибе. Марки ПЭВП (цифра 2 – низкое давление) имеют порядковые номера от 201 до 210 (синтез в среде растворителей), 270-279 (газофазный), 217-224 (высокопрочный), 215-216 (высокомолекулярный). Применяется для изготовления трубопроводов для транспортировки жидкостей и газов, коррозионно-устойчивой аппаратуры, всевозможных бутылок, бочек и других емкостей, в качестве изоляционного материала в электротехнике и электронике, при изготовлении тары для транспортировки мясной и рыбной продукции (ящики, короба).
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) обладает повышенными прочностными показателями, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, стойкостью к растрескиванию, химической стойкостью в наиболее агрессивных средах; температурный интервал эксплуатации от -260 до + 120 °С. Переработка СВМПЭ осуществляется методом спекания, прессования и плунжерной экструзии, литьем под давлением.
Применяется СВМПЭ для изготовления высокопрочных технических изделий, стойких к удару, растрескиванию и истиранию (шестерни, втулки, муфты, ролики, валики, звездочки и т.п.), а также в эндопротезировании, для изолирующих деталей аппаратуры, работающей в диапазоне высоких и сверхвысоких частот и пористых изделий (фильтров, глушителей шума, прокладок), для замены дорогостоящего фторопласта.
Марочный ассортимент полипропилена (ПП) включает 5 марок, получаемых при среднем давлении (01002 – 01020), 13 марок, получаемых при низком давлении (21003 – 21230) и 3 марки блоксополимера с этиленом (22007 – 22030). Обозначение марки ПП состоит из 5 цифр: первая цифра 2 или 0 указывает на давление при синтезе (низкое или среднее), вторая цифра указывает вид материала: 1 – полимер, 2 – сополимер. Три последующие цифры означают десятикратное значение показателя текучести расплава.
В обозначении композиции через тире указывается номер рецептуры стабилизации, через запятую цвет и число рецептуры окрашивания. Например, марка 21180-16,Т20 обозначает ПП, полученный на металлоорганическом катализаторе при низком давлении, ПТР составляет 18 г/10 мин, рецептура добавки №16 – антикоррозионная, материал содержит 20 % талька.
К группе термопластов также относятся полимеры на основе стирола и сополимеров с другими мономерами (акрилонитрил, метилметакрилат, бутадиен). Полистиролы подразделяются на полистирол общего назначения, ударо-прочный полистирол и АБС-пластики.
Полистирол общего назначения отличается высокими диэлектрическими свойствами, оптической прозрачностью, низкой теплостойкостью ( до 70 °С) и низкой ударной вязкостью, хорошо перерабатывается в изделия литьем под давлением и экструзией. Марочный ассортимент – 16 марок. Маркировка полистирола общего назначения – ПС. Ударо-прочный полистирол отличается повышенными показателями ударной вязкости в диапазоне температур (до -30- 40 °С). Маркировка ударо-прочного полистирола – УПС.
АБС-пластики обладают повышенной теплостойкостью, ударной прочностью и хемостойкостью и перерабатываются литьем под давлением и экструзией. Марочный ассортимент около 20 марок. Маркировка АБС-пластиков – АБС.
Из полистиролов изготавливают изделия электротехнической и электронной промышленности (ПС); крупногабаритные изделия холодильников, ящики и короба для транспортировки товаров, внутреннюю облицовку зданий (УПС); корпуса телевизоров, компьютеров, лодок, детских ванн (АБС).
Поливинилхлорид (ПВХ). Различают жесткий и эластичный ПВХ.
Жесткий ПВХ (винипласт) обладает высокой механической прочностью, значительными водо- и хемостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, низкой ударной прочностью и невысокой температурой эксплуатации (до 7080 °С). Применяется в производстве листов, труб, профилей, пленки.
Эластичный ПВХ (пластикат) характеризуется высокой эластичностью в диапазоне температур от - 60 до + 100 °С, высокой водо-, бензо- и маслостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, склонностью пластификаторов к миграции и выпотеванию, что ведет к ухудшению эластичности и морозостойкости. Из эластичного ПВХ выпускаются кабели, шланги,изоляция, прокладки, обувь, изделия медицинского назначения.
Маркировка ПВХ, на примере ПВХС6358 Ж, означает: С – суспензионный, значение константы Фикентчера – 63, группа насыпной плотности – 5 (0,45 – 0,6 г/см3), остаток на сите 8 %, рекомендуется для производства жестких изделий.
Полиметилметакрилат (ПММА). Отличается исключительно высокой прозрачностью, высокой температурой размягчения, хорошими механическими свойствами, склонностью к растрескиванию. Из ПММА изготавливают органические стекла, световые фонари бытовых приборов и зданий. Маркируется - ПММА.
Пластмассы инженерно – технического назначения.
Полиамиды – высокомолекулярные полимеры, содержащие в основной цепи амидные группы (NH-CO-) и представляющие собой высококачественные волокнообразующие материалы.
Обладают высокими физико-механическими свойствами, особенно при ударных нагрузках; прекрасной стойкостью к маслам, бензину, керосину; химической стойкостью в щелочных средах; низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью; нестабильностью размеров в условиях эксплуатации, связанных с большим водопоглощением.
Наиболее распространенными являются полиамид – 6 ( капрон), полиамид - 66, полиамид - 610 и полиамид -12.
Маркируются полиамиды – ПА - 6, ПА - 6.6, ПА - 6.10, П -12Л.
Полиформальдегиды (ПФ) – характеризуются достаточно высокой теплостойкостью (температура эксплуатации до 140 °С), высокой прочностью и жесткостью, хемостойкостью, стойкостью к углеводородам и маслам, низким водопоглощением и высокой размерной стабильностью, а также низким коэффициентом трения.
Выпускается целый ряд марок сополимеров ПФ, СФД, СТД, из которых изготавливают изделия электропромышленности, автомобилестроения, спортинвентаря, зубчатых колес, кулачков, подшипников, деталей водопроводной арматуры.
Поликарбонат (ПК) – термопластичный полимер на основе дифенилолпропана и хлорангидрида угольной кислоты, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам, низким водопоглощением, высокой оптической прозрачностью и высокими диэлектрическими свойствами. Температурный интервал эксплуатации ПК от – 100 до + 135 °С.
Широко применяется для изготовления корпусных изделий, прозрачных экранов, крышек, автомобильных фар, очков, линз, объективов фотоаппаратов. Маркируются поликарбонаты – ПК.
Полибутилентерефталат (ПБТФ) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ) – термопластичные полиэфиры, характеризующиеся высокой твердостью и жесткостью, высокой размерной стабильностью, высокой износостойкостью, хорошей теплостойкостью. Они находят применение в производстве шестерен, подшипников, втулок, бутылей, флаконов, звеньев цепных передач, деталей замков. Маркируются - ПБТФ, ПЭТФ.
Теплостойкие пластмассы.
Полиарилаты – термопластичные полиэфиры на основе ароматических дикарбоновых кислот и двухатомных фенолов, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами, высокими физико-механическими свойствами, стабильными в условиях длительного старения.
Марочный ассортимент содержит две группы: на основе дифенилолпропана (марки «О») с рабочим интервалом температур 175180 °С и на основе фенолфталеина (марки «Ф» с рабочим интервалом температур 220250 °С. На основе полиариатов выпускают лаки, пленочные материалы электроизоляционного назначения.
Полиимиды – термостойкие поликонденсационные полимеры на основе ароматических тетракарбоновых кислот и ароматических диаминов, обладающие высокой термостойкостью, высокими механическими характеристиками при повышенных температурах от -250 до + 250 °С (кратковременно до 300 400 °С), не окисляются при 250 275 °С.
Фторполимеры (фторопласты) – полимеризационные полимеры на основе тетрафторэтилена и его сополимеров с диеновыми соединениями, обладающие чрезвычайно высокими стойкостью и диэлектрическими свойствами в диапазоне рабочих температур от – 260 до + 350 °С, высокой хемостойкостью, склонностью к ползучести под нагрузкой, низкой износостойкостью и радиационной стойкостью.
Используются в качестве труб, пленок, паст, уплотнительных элементов, изоляции и др.
Маркировка фторполимеров – Ф - 4, Ф -3, Ф – 2, Ф – 40.

Контрольные вопросы:

1. Какую структуру имеют термореактивные полимеры?
2. Для какой цели в пластмассы вводят стабилизатор?
3. Что такое термореактивные полимеры?
4. Какую применяют износостойкую пластмассу для зубчатых колес?
5. Из какого материала изготавливают тормозные накладки?
6. Чем отличается поливинилхлорид от полистирола?
7. Чем отличается полимеризация от поликонденсации?
8. Чем отличается полиэтилен от полипропилена?
9. Какой пластический материал можно использовать для изготовления подшипников скольжения?
10. Какие достоинства полиметилметакрилата Вы знаете?
11. Как называется слоистый пластик на основе фенолформальдегидной смолы с наполнителем из бумаги?
12. Что такое термопластичные полимеры?
13. Какой пластик можно использовать в качестве теплоизоляционного материала?
14. Из какого материала изготавливают малонагруженные шкивы?
15. Из какого материала изготавливают пищевую тару?
16. Какой пластмасс применяется для изготовления втулок-подшипников?
17. Какой пластмасс применяется для изготовления деталей пищевого оборудования, в котором происходит прямой контакт с пищевым продуктом?
18. Какие марки теплостойких пластических материалов Вы знаете?
19. Какие детали изготавливают из гетинакса?
20. Какие детали изготавливают из текстолита?
21. Какие детали изготавливают из полиметилметакрилата?
22. Какие детали изготавливают из фторопласта?
23. Какие детали изготавливают из полипропилен?
24. Какие детали изготавливают из полиэтилена?

5.2. Резиновые материалы

Резинами называют многокомпонентные системы на основе полимерной матрицы из одного или нескольких эластомеров (каучуков), наполнителей и различных модифицирующих добавок для предания высоких физико-механических показателей после вулканизации.
Каучуки - это высокомолекулярные соединения, которые используют для получения резин, эбонитов, лаков, клеев, вяжущих веществ; обладают высокой эластичностью, широким диапазоном рабочих температур. При температуре -100 °С они становятся хрупкими, а при 200 °С деструктируются.
По структуре каучуки классифицируются:
- линейный - бутадиеновый (СКД), полисульфидный (тиоколы);
- лестничный - этиленпропиленовый (СКЭГГТ), полисилоксановые (СКК), уретановые (СКУ);
- разветвленная - бутилкаучук (БК);
-гребнеобразная - изопреновый (СКИ-3), бутадиен-стирольный (СКС-30), хлоропреновые (наирит, Д-52), бутадиен-нитрильные (СКН-40), кремнийорганический (СКО)
Каучуки подразделяются на натуральные и синтетические. Синтетические каучуки (СК) получают полимеризацией непредельных соединений. В свою очередь они делятся на:
-каучуки нормальной нагревостойкости - (изопреновый (СКИ-3), бутадиеновый (СКД), бутадиен-стирольный (СКС-30);
-каучуки повышенной нагревостойкости - (бутилкаучук (БК), этиленпропиленовый (СКЭПТ), кремнийорганический (СКО); масло-бензостойкие - хлоропреновые (наирит, Д-52) , бутадиен-нитрильные (СКН-40).
Натуральный каучук (НК) получают коагуляцией латекса (млечного сока) каучуконосных растений (гевея, гуттаперча, тау-сагыз, кок-сагыз и т. д.). Сок обрабатывают кислотами и затем вальцуют образующийся продукт.
В зависимости от вида исходного материала и условий его обработки изготавливают каучуки с различными свойствами и стойкостью.
Эбониты на основе наирита обладают хорошей адгезией к металлу. Это свойство используется для создания двухслойного покрытия, которое часто используется на химических заводах.Нижний слой делают из эбонита, а верхний слой выполняется из мягкой резины.Такие покрытия устойчивы к действию соляной, плавиковой, уксусной, лимонной кислот, щелочей и растворов солей до 65 °С. Они разрушаются только в сильных окислительных средах - в концентрированных серной и азотной кислотах.
Бутилкаучук является продуктом совместной полимеризации изобутилена и изопрена. Он отличается инертностью к воздействию агрессивных сред, высокой газонепроницаемостью и малой водонабухаемостью. Резины на его основе противостоят действию некоторых органических растворителей.
Силиконовые каучуки обладают высокой теплостойкостью до 250...300 °С и морозостойкостью до -50 ...- 60 °С. Их недостатком является сравнительно низкая коррозионная устойчивость.
Фторкаучуки являются непревзойденным материалом по химической стойкости и теплостойкости. Изделия на их основе можно эксплуатировать в сильно агрессивных средах и окислителях до температуры 200 °С. Недостатком этого вида каучука является его сильная усадка, что затрудняет применение для защиты химической аппаратуры.
В качестве наполнителей для резин выступают следующие ингридиенты:
- вулканизующие вещества (агенты) - сера, органические
перекиси (перекись дикумила), термореактивные смолы (101К,
рибетак), полисульфидные ускорители (тиурам Д). При добавках серы (массовая доля до 5) образуется редкосетчатый полимер, обладающий высокой эластичностью. Добавка серы свыше 30 массовых долей приводит к образованию твердого материала -эбонит;
- наполнители вводят для улучшения механических свойств и снижения стоимости резины (технический углерод, оксид цинка, каолин, мел);
- антиоксиданты (противостарители) замедляют процесс старения в результате окисления (аминные - ацетонанил Р, диафен ФП, фенольные - стабилизатор П-23).
В зависимости от количества введенного вулканизующего агента получают мягкую резину (2...4 % S), полужесткую (12...20 % S) и жесткую резину (30...50 % S).
Резины классифицируются по назначению на 2 группы:
-резины общего назначения;
-резины специального назначения.
К резинам общего назначения относятся материалы на основе натурального, бутадиенового, изопренового, бутадиенстирольного, хлоропренового, бутилового каучуков. Из этих резин изготавливают шины, конвейерные ленты, приводные ремни, кабельную изоляцию и фасонные резинотехнические изделия. Такие изделия работают в интервале температур от -35 до + 150 С и их отличает стойкость в воздухе, воде и слабых растворах кислот и щелочей, способностью к обратимой деформации (до 700 %), высокой эластичностью и прочностью (до 50 МПа), сопротивляемостью к истиранию, газо- и водонепроницаемостью.
К резинам специального назначения относятся теплостойкие, морозоустойчивые, маслобензостойкие, износостойкие, электропроводящие, магнитные, диэлектрические, стойкие к действию агрессивных сред.
Основой теплостойких резин являются этиленпропиленовые и полисилоксановые каучуки, которые обеспечивают работу при температурах 150...200 °С, и в отдельных случаях при 350...400 С.
Морозостойкие резины получают на основе каучуков с низкой температурой стеклования, преимущественно кремнийорганических, либо с обычной температурой стеклования, например, бутадиеннитрильных, но со специальными пластификаторами. Рабочие температуры достигают – 76 °С.
Маслобензостойкие резины на основе хлоропреновых, уретановых, полисульфидных, бутадиеннитрильных каучуков могут работать в условиях длительного контакта с нефтепродуктами и растительными маслами.
Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков. Резины стойкие к действии агрессивных сред получают на основе бутадиеннитрильных, кремнийорганических, хлоропреновых, акрилатных каучуков.
Электропроводящие и магнитные резины изготавливают из полярных бутадиеннитрильных каучуков с введением специальных электропроводящих и магнитных наполнителей.
Диэлектрические резины получают на основе кремнийорганических, этиленпропиленовых, изопреновых каучуков.
К другим специальным видам резин относятся: пищевые, медицинские, вакуумные, огнестойкие, радиационно стойкие.
Пищевые резины получают из полибутадиеновых (М), нитрильных (М), силоксановых (М) каучуков.

Из пищевых резин изготавливают различные уплотнители для консервных крышек, доильных аппаратов, соковыжималок, тестомешалок, молочных гомогенизаторов, соски для детского питания и др. Марки пищевых резин: НО-68, 6432, 4004, акриловые латексы и др.)
Резины применяются в качестве изоляции и защитной оболочки кабельных изделий. Кабельные резины подразделяются на классы: изоляционные, изоляционно-защитные, защитные (таблица 5.1).
Таблица 5. 1
Кабельные резины

Тип резины
(марка)
Характеристика и основные области применения

Изоляционные

РТИ-0 (ТСШ-50, КС-0-50, ТС-0-45, ОВР-40)
РТИ-1
(ТСШ-33, ТС-35, ТСШМ-35)
РНИ
(НШИ-35)
РТЭПИ-1
(ИД-45, ЭПТИ-45)
РТСИ-1
(К-69, К-673, К-1520)
Резина повышенного качества на основе каучуков: НК, СКИ-3 и их комбинации с СКД, СКС-30. Применяется для изоляции токопроводящих жил кабелей.

Резина общего назначения на основе каучуков: НК, СКИ-3 и их комбинации с СКД, СКС-30. Применяется для изоляции токопроводящих жил шахтных, силовых, контрольных, судовых кабелей.
Резина, не распространяющая горение, на основе полихлоропрена для изоляции токопроводящих жил осветительных шнуров АППР.
Резина повышенной теплостойкости на основе этиленпропиленовых каучуков для изоляции токопроводящих жил: силовых гибких кабелей на напряжение 6 кВ; силовых кабелей повышенной нагревостойкости для стационарной прокладки; кабелей для аэродромных огней.
Резина повышенной теплостойкости на основе кремнийорганических каучуков для изоляции токопроводящих жил выводных проводов РКГМ, ПВКФ, ПРКА.

Изоляционно-защитные

РТИШ
(ШСИ-33, ШСИ-35)
РТИШМ
Резина на основе каучуков: НК, СКИ-3 и их комбинации с СКД, СКС-30. Применяется для изоляционно-защитной оболочки одножильных проводов, кабелей и шнуров шланговых, установочных, бытовых, работающих в средних и легких условиях.
Резина морозостойкая. То же

Окончание таблицы 5.1
Защитные

РШ-1
(ШВП-50)
РШМ-2
(ШМ-45)


РШН-1
(НШ-50)


РШН-2
(НШ-40)

Резина на основе каучуков: НК, СКИ-3 и их комбинации с СКД, СКС-30. Применяется для оболочек кабелей, работающих в тяжелых условиях
Резина морозостойкая на основе каучуков: НК, СКИ-3 и их комбинации с СКД, СКС-30. Применяется для изоляционно-защитной оболочки одножильных проводов, кабелей и шнуров шланговых, установочных, бытовых, работающих в средних и легких условиях.
Резина маслостойкая, не распространяющая горение, на основе полихлоропренового каучука (наирит). Применяется для оболочек кабелей, работающих в тяжелых условиях.
Резина маслостойкая, не распространяющая горение, на основе полихлоропренового каучука (наирит). Применяется для оболочек кабелей, работающих в средних и легких условиях.


Контрольные вопросы:
1. На какой основе получают теплостойкие резины?
2. Какова максимальная рабочая температура теплостойких резин?
3. Какое строение имеют макромолекулы резины?
4. Для какой цели вводят в состав резин стабилизаторы (антиоксиданты)?
5. Чем обусловлено изменение физико-механических свойств при вулканизации каучука?
6. Что вводят в состав резин для повышения прочности и износостойкости?
7. Какие марки резин общего назначения Вы знаете?
8. Какие марки резин специального назначения Вы знаете?
9. Где применяются резины марок НО-68, 6432, 4004?
10. Где применяется резина марки НШ-40?
11. Где применяется резина марки ШМ-45?
12. Где применяются резины марки ШСИ-33?
13. Где применяется резина марки К-1520?
14. Где применяется резина марки ЭПТИ-45?
15. Где применяется резина марки ТСШМ-35?
16. Где применяется резина марки ОВР-40?
17. Какими параметрами характеризуется каучук бутадиен-стирольный каучук (СКС) ?
18. Какими параметрами характеризуется бутадиен-нитрильный каучук (СКН)?
19. Какими параметрами характеризуется хлоропреновый каучук?
20. Какими параметрами характеризуется бутилкаучук?
21. Какими параметрами характеризуется силиконовые каучуки?
22. Какими параметрами характеризуется фторкаучуки?
23. Как охарактеризовать резины общего назначения?
24. Как охарактеризовать резины специального назначения?

5.3. Материалы с особыми электрическими свойствами.
Сплавы, имеющие точно определенный состав и специальные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. К прецизионным относят сплавы со специальными магнитными, электрическими, тепловыми, упругими и другими свойствами.
Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni и Co, либо на основе их сочетания (например, Fe-Co, Fe-Ni, Ni-Co). Для усиления соответствующих физических свойств сплавы легируют другими химическими элементами. Как правило в этих содержание углерода ( 0,0050,05 %. Очень важно для получения требуемых свойств прецизионных сплавов обеспечить строгое соблюдение режимов промежуточных и окончательных обработок на всех этапах их изготовления.
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением находят применения в двух областях – для нагревателей и в измерительных приборах, где требуется точность воспроизведения электрического сопротивления.
Для сопротивлений-нагревателей с высоким электрическим сопротивлением (порядка 11,5(10-6 Ом(м) обычно используют сплавы со структурой твердого раствора. Твердые растворы обладают высокой пластичностью, поэтому такие сплавы легко деформируются в ленту или проволоку. Нагреватели должны обладать хорошей окалиностойкостью и достаточной прочностью при высоких температурах для сохранения формы при работе.
В качестве окалиностойких материалов с высоким электрическим сопротивлением применяют хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали ферритного класса – Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель), 0Х27Ю5А. Чем выше содержание в сплавах хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и максимальная рабочая температура нагревательного элемента, составляющая соответственно 900, 1100 и 1200 (С.
Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,060,12 %), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок службы нагревателей.
Как сплавы высокого электрического сопротивления для нагревателей также используют сплавы на основе никеля - нихром Х20Н80 (до 1050 (С) и ферронихромы Х15Н60, (до 1050 (С) ХН20ЮС (до 875 (С), ХН60Ю3 (до 1125 (С). Нихромы и ферронихромы более пластичны и жаропрочны, чем сплавы системы Fe-Cr-Al, но значительно дороже.
Для резисторов в приборах применяют сплавы на основе меди – никелин, константан, манганин и мельхиор. Сплавы этого типа имеют электрическое сопротивление примерно в 3-4 раза более низкое по сравнению со сплавами для нагревательных элементов, а главное, более низкую рабочую температуру (300400 (С), но обладают высокой стабильностью свойств.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы используют для изготовления электронагревательных элементов?
2. Какой металл является самым электропроводным?
3. Какие материалы обладают высоким удельным электрическим сопротивлением?
4. Какой неметаллический материал является проводниковым?
5. Какие материалы относятся к группе проводниковых с высокой проводимости?
6. Какие материалы относятся к группе проводниковых с высоким электроспротивлением?
7. Какие сплавы на основе меди применяют для резисторов в приборах?
8. Какие марки сплавов являются пластичными и жаропрочными?

5.4. Материалы с особыми магнитными свойствами

5.4.1. Магнитные стали и сплавы
По магнитным свойствам материалы делят нам ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Наибольший технический интерес представляют ферромагнетики.
В ферромагнетиках весь объем тела разделен на области – домены, разделенные узкими границами, называемыми стенками доменов. Размеры доменов составляют 0,010,1 мм.
Каждый домен намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рисунок 5.2), так что в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю.
Действие внешнего поля 13 EMBED Equation.3 1415 на разных стадиях процесса намагничивания различно.






Рисунок 5.2. Схема процесса намагничивания ферромагнетика

Вначале, при слабых полях, наблюдается рост доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением внешнего поля, за счет доменов с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов путем движения стенок доменов. Всякая неоднородность структуры препятствует этому процессу.
После того, как будут поглощены все домены с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов, в более сильных магнитных полях имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. В результате этих процессов индукция магнитного поля 13 EMBED Equation.3 1415 в ферромагнетике в зависимости от величины внешнего поля меняется нелинейно, достигает насыщения и при снятии внешнего поля остается остаточная магнитная индукция 13 EMBED Equation.3 1415 (рисунок 5.3).
При неоднократном изменении направления намагничивающего поля формируется замкнутая кривая намагничивания – петля гистерезиса.








Рисунок 5.3. Петли магнитного гистерезиса: а – магнитно-мягкий материал; б – магнитно-жесткий материал

Напряженность магнитного поля, при которой магнитная индукция сводится к нулю, называется коэрцитивной силой Hс. Наклон зависимости величины магнитной индукции от напряженности магнитного поля определяет величину магнитной проницаемости материала:
13 EMBED Equation.3 1415,
где (0 – магнитная постоянная.

Произведение Вост Ч Нс называется магнитной энергией или энергией перемагничивания.
Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (рисунок 5.3, а).
Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой и малой начальной магнитной проницаемостью (рисунок 5.3, б).
Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.
К магнитно-мягким относятся такие материалы с однородной структурой, как техническое железо, электротехническая сталь (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fe-Si-Al), пермалой (Fe+78,5 % Ni) и супермаллой (Fe-5 % Mo-79 % Ni).
Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т.п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токов, возникающих при перемагничивании.
Легирование стали кремнием значительно повышает электрическое сопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис.
Поэтому для использования в переменных магнитных полях (трансформаторы, электродвигатели и т. п.) используют электротехническую сталь.
Электротехническую сталь принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра – удельным потерям на перемагничивание (1 – нормальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурированная, 00 – холоднокатаная малотекстурированная. Следовательно, горячекатаными электротехническими сталями являются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43, а холоднокатаными – Э1100, Э310, Э3100 и т. д.
Пермаллои и альсиферы используют в слаботочной технике (радио, телеграф, телефон).
При высоких частотах используют ферриты, обладающие очень высоким электрическим сопротивлением. Их получают спеканием порошков Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов ZnO, NiO, MnO и др. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость, например 2000 НС, 6000 НМ (НС – означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый).
Для создания постоянных магнитов используют магнитно-жесткие материалы. Структура, обеспечивающая такие свойства должна быть очень неоднородной. Либо это мартенсит с большим числом дислокаций и границ зерен (стали У8-У10 либо хромистые стали типа ЕХ3, ЕХ5К5), либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой (сплавы системы Fe-Al-Ni-Co), либо сплавы с упорядоченной структурой (Co5Sm).
Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей являются литые сплавы системы Fe-Al-Ni-Co, содержащие 7-9 % Al, 12-19 % Ni, 14-40 % Co и 3-4 % Cu (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31Т3БА, ЮНДК40Т8АА, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА – в порядке возрастания магнитной энергии от 6 до 40 кДж/м3). Их высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250-1300 (С и последующего старения при 600..650 (С. Структура сплава после такой термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и ферромагнитных дисперсных частиц.
Дефицит никеля и кобальта привел к созданию таких сплавов для постоянных магнитов, как 71ГЮ (71 % Mn, Al остальное), 70ГГл (системы Mn-Ga).

5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения.
Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругих чувствительных элементов. Эти сплавы подразделяют на фероромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости, и немагнитные, с низким модулем упругости.
К ферромагнитным сплавам на основе системы Fe-Ni принадлежат элинвары 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), 42НХТЮ и 44НХТЮ (41,545,5 % Ni,; 5,05,9 % Cr; 2,23,0 % Ti; 0,41,0 % Al) практически не обладающие температурной зависимостью упругих модулей.
Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ подвергают термической обработке – закалке от 950 (С и отпуску-старению при 700 (С в течение 4 ч.
Термическая обработка позволяет получать значения температурного коэффициента модуля Юнга в пределах ( 1,5(10-5 К-1 в интервале температур 20100 (С.
К немагнитным аустенитным сплавам с низким модулем упругости относятся 36НХТЮ и 36НХТЮМ8.
Зависимость расширения металла от температуры нагрева носит нелинейный характер.
В сплавах Fe-Ni температурный коэффициент теплового расширения имеет аномалии, связанные с магнитным превращением. Это позволило создать сплавы с заданными коэффициентами теплового расширения.
Сплав с 36 % Ni 36Н, называемый инваром, имеет минимальный температурный коэффициент теплового расширения (( = 1,5(10-6 К-1). Сплав с 42 % Ni имеет постоянный коэффициент теплового расширения в интервале температур от –80 до +100 (С. Инвар, легированный кобальтом и медью, 32НКД (31,533 % Ni, 3,24,2 % Co и 0,60,8 % Cu) имеет еще более низкий коэффициент теплового расширения (( = 1(10-6 К-1) и называется суперинваром. Сплав 29НК (28,529,5 % Ni и 1718 % Co) предназначен для пайки и сварки с термостойким стеклом, так как имеет такой же коэффициент теплового расширения (( = 4,56,5(10-6 К-1) и называется коваром.
Сплав 47НД (4648 % Ni и 4,55,5 % Cu) имеет такой же коэффициент теплового расширения, как платина и нетермостойкие стекла (( = 911(10-6 К-1) и называется платинитом.
Платинит используется для сварки и пайки с нетермостойкими стеклами в электровакуумной промышленности.
В качестве терморегуляторов в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента теплового расширения.
Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента, и сплаву с 25 % Ni, у которого коэффициент очень большой (( = 20(10-6 К-1).
При нагреве пластинка биметалла искривляется и замыкает или размыкает электрическую цепь.

Контрольные вопросы
1. Как называются материалы, которые легко намагничиваются при приложении электрического поля и размагничиваются при его снятии?
2. Какой материал обладает наиболее высокой магнитной способностью?
3. Как называются материалы, предназначенные для изготовления постоянных магнитов?
4. Как называются материалы для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов?
5. Как называется зависимость магнитных свойств от направления испытаний в кристалле?
6. Как называется изменение линейных размеров при намагничивании ферромагнитных монокристаллов?
7. В чем заключается эффект памяти формы?
8. Как расшифровать марку сплава 36НХТЮМ8?
Библиографический список
Основной:
1. Каллистер У. Д., Ретвич Д. Дж. Материаловедение: от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) /Пер. с англ. под ред. Малкина А. Я. – СПб.: Научные основы и технологии, 2011.-896 с
2. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст]: учебник/ Под ред. В. Б. Арзамасова, А. А. Черепахина – М.: Академия, 2009. – 448 с.
3. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник / Под ред. В.С. Чередниченко. – М.: ОМЕГА – Л, 2007. – 752 с.
4. Дегтярев М. Г. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник. – М.: Колос, 2007. – 360 с.
5. Шашков Д. П. Материаловедение [Текст]: учебник. – М.: МАДИ, 2003 – 329 с.
6. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение [Текст]: учебник/
Б. Н. Арзамасов и др. – М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. – 648 с.
Дополнительный:
7. Макаров В. Н., Мухин Г. Г. и др. Материаловедение [Текст]: учебник / В. Н. Макаров и др. – Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2001.
8. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник./Г. П. Фетисов и др. - М.: Высшая школа, 2000 – 638 с.
9. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение [Текст]: учебник/ Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П . –Машиностроение, 1990. – 527 с.
10. Гуляев А. П. Материаловедение [Текст]: учебник / А. П
Гуляев и др. –Металлургия, 1986.
Предметный указатель
Азотирование.............................107
Алитирование112
Аллотропические формы..................9
Алюминий.131
Алюминиевые сплавы
- - деформируемые132
- - литейные133
Атмосфера Коттрелла................14
Атом примесный12
Атом межузельный11
Аустенит.68
Дислокация
- - краевая13
- - винтовая..13
Жаропрочность.152
Закалка.72,91
- - изотермическая..93
- - полная.92
- - неполная.............92
- - в двух средах.93
- - ступенчатая93
- - поверхностная.100
Закаливаемость..94
Зародыши
- - самопроизвольные...........20
- - гетерогенные20

Базис решетки. 9
Бейнит 79
Борирование..............111
Бронзы
- - деформируемые129
- - литейные129


Вакансия...11
Вектор Бюргерса.13
Возврат.52
Выносливость..38
Вязкость ударная.37
Границы
- - большеугловые. .15
- - малоугловые15
Графит..68
Двойник16
Дендрит.21
Дефекты
- - точечные..11
- - линейные.13
- - поверхностные15
- - объемные.16
- - упаковки..16
- - Шоттки................11
- - Френкеля.11
Деформация пластическая..25
Диаграмма
- - растяжения.27
- - состояния.59-65
- - железо-цементит ..67,69



Изломы46
Испытания
- - на растяжение.............26
- - статические.............26
- - динамические.............36
- - циклические38
- - эксплуатационные.................39
Каучук
- - натуральный..179
- - синтетический...179
Координационное число8
Коэффициент компактности... .9
Коэффициент упрочнения..29
Кривые охлаждения18
Кристаллизация ..17
Критерий Ирвина30
Латуни
- - деформируемые................129
- - литейные129
Ледебурит70
Ликвация
- - зональная.24
- - гравитационная.24



Макроструктура слитка..23
Мартенсит80
Медь.128
Медные сплавы
- - латунь..128
- - бронза..129
Методы
- - неразрушающего контроля..41
- - построения диаграмм57
Модификаторы..21
Модуль упругости27
Наклеп...29
Наполнители165
Нитроцементация109
Нормализация87
Обработка
- - термическая..72
- - химико-термическая..100
- - холодом....94
Отвердители....165
Отжиг.72
- - I рода.87
- - рекристаллизации88
- - II рода88
- - полный..88
- - неполный..90
- - диффузионный.87
- - для снятия остаточных напряжений.....88
- - изотермический89
- - сфероидизирующий.90
Отпуск.72,91,95,96
Период решетки.8
Перекристаллизация10
Перлит79
Плотность дислокаций.13
Пластмассы.162
Пластификаторы.165
Полигонизация..49


Сорбит79
Сплав
- - медноникелевый.130
- - вольфрамовый.157
- - титановый157
- - с заданным коэффициентом теплового расширения189
- - с высоким электрическим сопротивлением...184
- - с особыми магнитными свойствами...186
Стабилизаторы.165
Сталь
- - доэвтектоидная.70
- - эвтектоидная.70
- - заэвтектоидная..70
- - конструкционная.115
- - обыкновенного качества..117
- - качественная.117,119
Полимеры
- - термопластичные..167
- - термореактивные..170
- - общетехнические..172
- - инженерно-технические...175
- - теплостойкие.176
Полиморфизм9
Правило
- - Гиббса.....59
- - Курнакова..66
- - отрезков.61,63
- - концентрации.61
Превращения......73,76
- - перитектические..68
- - эвтектические..68
- - эвтектоидные68
- - мартенситные.81,83
- - в закаленных сталях85
Прокаливаемость.94
Разрушение
- - вязкое46
- - хрупкое26,46
Раствор
- - внедрения54
- - замещения54
Раскисление118
Резины ...178
Свойства
- - физические.25
- - механические25,26,35
- - химические..25
- - технологические.25
- - эксплуатационные..25
- - мартенсита..81
Силицианирование...111
Синеломкость..36
Скорость образования зародышей19,20
Слой диффузионный.101
Соединения
- - металлические.57
- - химические..56

Сужение относительное29
Твердость.32-35
Температура равновесная.17
Термохромирование112
Троостит.79
Удлинение относительное28
Улучшение..97
Фазы54,67
Феррит67
Хладноломкость..36,115,137
Хрупкость отпускная..36
Цементит69
Цементация..103
Цианирование..109
Цинкование диффузионное.113
Чугун
- - белый.70
- - высокопрочный122,124
- - вермикулярный126
- - ковкий122,125
- - серый.122

- - высококачественная117
- - особо высококачественная.117
- - аустенитная..135,153
- - быстрорежущая...156
- - легированная...135
- - инструментальная...155
- - износостойкая..159
- - коррозионностойкая.146
- - жаропрочная..152
- - подшипниковая..160
- - рессорно-пружинная.143
- - улучшаемая143
- - хромистая...148
- - хромоникелевая.149
- - штамповая..145
Старение72
- - естественное..99,132
- - искусственное...98,133
Степень переохлаждения.17
Строение
- - дендрита21
- - слитка23

- - передельный.127
Эвтектика..69
Эвтектоид.69,122
Элементарная ячейка. 8



ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..
3

Тема 1 ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ.
Структура материалов
1.1.1. Полиморфизм
1.1.2. Строение реальных кристаллов..
1.1.3. Линейные дефекты...
1.1.4. Поверхностные дефекты..
1.1.5. Объемные дефекты...
1.1.6. Кристаллизация металла и строение слитка..

6
6
9
11
13
15
16
17

1.2. Пластическая деформация и механические свойства металлов..
1.2.1. Механические свойства металлов при статических нагрузках
1.2.2. Твердость материала
1.2.3. Механические свойства при динамических нагрузках
1.2.4. Механические свойства при циклических нагрузках..
1.2.5. Неразрушающие методы контроля металлов и сплавов...
1.2.6. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов.. ..
1.2.7. Разрушение металлов
1.2.8. Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве
25
26
35
38
39
41

43
45

48

Процесс кристаллизации и фазовые превращения в
сплавах. Основные типы диаграмм состояния..
1.3.1. Фазы в металлических сплавах ...
1.3.2. Экспериментальные методы построения диаграмм состояния...
1.3.3. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов.

54
54
57
60

1.4. Диаграмма железо – цементит.
67

Тема 2. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВОВ..
2.1. Основы термической обработки.
2.1.1. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния..
2.1.2. Превращения переохлажденного аустенита.
2.1.3. Мартенситное превращение. Структура и свойства мартенсита
2.1.4. Превращения в закаленных сталях при нагреве............

72
72
73
75
81
85

2.2. Отжиг и нормализация стали..
87

2.3. Закалка и отпуск стали.
2.3.1. Закалка сталей ..................................................................
2.3.2. Отпуск стали..

2.3.3. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии.
91
91
95

97

2.4. Химико-термическая обработка. Поверхностная закалка..
2.4.1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали..
2.4.2. Цементация стали .
2.4.3. Азотирование стали..
2.4.4. Нитроцементация и цианирование..
2.4.5. Диффузионное насыщение стали металлами и неметаллами
100

100
103
107
109

111

Тема 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ...
3.1. Конструкционные стали..
115
115

3.2. Чугуны..
122

3.3. Сплавы на основе меди.
128

3.4. Сплавы на основе алюминия...
131

Тема 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ..
4.1. Конструкционные углеродистые и легированные стали.
4.1.1. Особенности термообработки легированных сталей
4.1.2. Цементуемые легированные стали.
4.1.3. Улучшаемые легированные стали..
4.1.4. Рессорно-пружинные легированные стали
4.1.5. Коррозионностойкие стали
135
135
140
142
143
143
146

4.2. Жаропрочные стали..
152

4.3. Инструментальные стали.
155

4.4. Износостойкие стали.
159

Тема 5. ПЛАСТМАССЫ, РЕЗИНЫ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. Пластмассы.............
5.1.1. Термопластичные пластмассы
5.1.2. Термореактивные пластмассы.
5.1.3. Пластмассы общетехнического назначения...

162
162
167
170
172

5.2. Резиновые материалы...
178

5.3. Материалы с особыми электрическими свойствами..
184

5.4. Материалы с особыми магнитными свойствами
5.4.1. Магнитные стали и сплавы..
5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения..
186
186


189

Библиографический список
192










Учебное издание





Земсков Юрий Петрович
Ткаченко Юрий Сергеевич
Лихачева Людмила Борисовна
Квашнин Борис Николаевич




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ







Подписано в печать . 01. 2012 . Формат 60 x 84 1/16.
Усл. печ. л. 16. Тираж 300 экз. Заказ .С-33
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
(ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)
Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»
Адрес академии и отдела полиграфии:
394036, Воронеж, пр. Революции, 19


ДЛЯ ЗАМЕТОК

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»







Ю. П. ЗЕМСКОВ, Ю. С. ТКАЧЕНКО
Л. Б. ЛИХАЧЕВА, Б. Н. КВАШНИН




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ














ВОРОНЕЖ
2012


ДЛЯ ЗАМЕТОК








13PAGE 15


13PAGE 1419915



4



  : > r t ґ ¶ ѕ А Д И М Р о
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeTimes New RomanTimes New RomanTimes New Roman

Приложенные файлы

  • doc 8957753
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий